基于復(fù)眼的小型高速三維跟蹤系統(tǒng)研究.pdf

1、仿生復(fù)眼視覺(jué)系統(tǒng)模仿生物復(fù)眼的曲面多目結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、大景深、三維信息探測(cè)、高速跟蹤以及系統(tǒng)小型化等方向均具有巨大潛力，從而引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。本文提出將仿生復(fù)眼視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用于高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的全景三維跟蹤，并基于此目的設(shè)計(jì)了一個(gè)尺寸為60×60×50 mm3的緊湊復(fù)眼系統(tǒng)?；趯?duì)三維重構(gòu)盲區(qū)與三維探測(cè)分辨率的分析設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并從彌散斑大小與畸變分布兩個(gè)角度出發(fā)分析了系統(tǒng)的成像質(zhì)量。
　　本系統(tǒng)可對(duì)物體進(jìn)行多目成像，故

2、可利用雙目視覺(jué)的原理計(jì)算物體的三維位置信息與形貌信息。文中推導(dǎo)了復(fù)眼系統(tǒng)的成像模型與畸變模型，并利用Tsai兩步標(biāo)定法對(duì)復(fù)眼透鏡進(jìn)行了統(tǒng)一標(biāo)定，獲取了7個(gè)子眼的內(nèi)參與外參，最后推導(dǎo)了三維信息獲取的模型。為了分析系統(tǒng)的三維探測(cè)精度，建立了精度分析模型，分析了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與探測(cè)距離對(duì)其三維探測(cè)精度的影響。
　　為了將三維信息探測(cè)應(yīng)用于高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，本文提出了一種高速三維跟蹤策略。利用可開(kāi)窗相機(jī)縮小圖像曝光、傳輸與處理的面積，從而克服視

3、場(chǎng)與空間分辨率對(duì)跟蹤速度的制約。為了使得小面積的曝光窗口始終能夠跟蹤到高速運(yùn)動(dòng)的物體，利用卡爾曼濾波器對(duì)復(fù)眼系統(tǒng)所成的多個(gè)子像進(jìn)行運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)。
　　復(fù)眼系統(tǒng)利用子眼分割大視場(chǎng)，故而目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)通過(guò)不同的子眼成像，必須準(zhǔn)確判斷參與成像的子眼以調(diào)整三維探測(cè)相關(guān)參數(shù)以及窗口位置。本文提出了一種利用復(fù)眼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性判斷參與成像的子眼的方法，文中分析了算法的耗時(shí)，在開(kāi)窗大小為40×40(pix×pix)時(shí)每幀最少耗時(shí)為300μs左右，

4、故最快跟蹤速度為3000 fps。本文還基于復(fù)眼透鏡的一體化多目結(jié)構(gòu)，提出了一種基于極線約束的多基線匹配方法，從而實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的高速三維跟蹤。
　　為驗(yàn)證復(fù)眼系統(tǒng)高速三維跟蹤的性能，進(jìn)行了5組實(shí)驗(yàn)，分析了三維跟蹤的探測(cè)誤差，對(duì)比了采集速度、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度以及探測(cè)距離對(duì)三維跟蹤的影響，并驗(yàn)證了多目標(biāo)三維跟蹤的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三維探測(cè)誤差在X、Y方向上為0.4 mm左右，在Z方向?yàn)?1 mm左右；提高采集速度有利于發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)；目標(biāo)距