天津大学本科生毕业设计(论文)开题报告_余蓝涛_final

天津大学本科生毕业设计（论文）开题报告课题名称仿生复眼视觉系统目标探测灵敏度研究学院名称精仪学院专业名称测控技术与仪器学生姓名余蓝涛指导教师宋乐一、课题的来源及意义（500字）课题来源于国家自然科学基金面上项目“仿生复眼大视场立体视觉系统的基础理论研究”（项目批准号：51175377）和天津市自然科学基金项目“用于大视场快速探测的人工复眼视觉理论研究”。昆虫复眼（CompoundEye）视觉系统在原理上具有体积小，重量轻，视场角大，时间分辨率高，运动目标探测灵敏等优点，使其在一些军用及民用场合具有其它成像方法无法比拟的优势。为努力实现以上优点，现今的仿生复眼（BiomimeticCompoundEye）可以通过超精密加工或者MEMS工艺实现微型化，集成化，包含多个子眼的复眼透镜，辅之以有效的光学设计，可以实现较大的视场角。同时，为了实现较高的时间分辨率，可以借助高速图像采集系统（如高速相机）实现对复眼透镜成像的高速采集。但是目前对于复眼的灵敏度，国内外依旧停留在概念之中，尚无有效的定义和评判标准。如果说，通过恰当的光学设计和机械加工手段可以实现复眼较大的视场角，解决了复眼的静的问题；那么，借助复眼系统实现灵敏度的定义、评价、速度感知和测量，就解决了复眼系统的动的问题，这无疑将为模仿现实世界中对移动目标灵敏的昆虫复眼奠定坚实的基础。本毕业设计课题正是基于现有复眼视觉系统，研究运动目标探测算法，给出复眼系统下运动目标灵敏度的定量描述，并与单孔径系统进行实验比对，探索多孔径视觉系统下，目标探测灵敏度评价、提升、移动目标测速的新方法。由进化论的基本原理可知，昆虫不能像哺乳动物一样通过保留单孔径的眼来获得较高的空间分辨率，因为这样会消耗很大的能量。因此，在进化的过程之中，昆虫只能通过形成复眼来实现较大的视场角和时间分辨率以弥补空间分辨率的不足。复眼的重大意义之一是可以获得极大的视场，从而对于大范围的目标保持有预警能力和监视能力。更重要的是，复眼具有较强的运动感知和跟踪能力，时间分辨率很高（例如蜻蜓的时间分辨率高达300帧/秒，是人眼的十倍以上），该特性使得昆虫对于运动物体的反应极其灵敏，有利于捕食猎物和逃离天敌的攻击。人眼对于较高速运动目标不能够精确感知，主要原因如下：1.人眼对于图像信号的采样频率很低，大约认为每秒24帧的画面为移动物体，因此采样频率约为24Hz。（T=1/24s）。在时间轴上相对较宽的采样间隔之内，高速运动的物体对人眼的成像移动位移相对较大，容易导致运动模糊。2.人眼的感光区域内的像元密度是非均匀，非线性的。人眼分辨率最高的处是视网膜的中央凹（fovea），像元密度最大，灵敏度最高。但是中央凹区域仅仅限于较小的视场，对准的角度极为有限。图1：复眼与单眼在不同视场角下的分辨率的比较神经科学研究表明，人眼在观察移动场景的时候，会通过多类的感官将眼球对准目标区域，使之在中央凹出成分辨率最高的图像，这种现象称为扫视现象。由于这个原因，人眼发现移动目标后，感知并跟踪它，需要额外的时间开销。正是因为以上两个原因，人眼不适合感知高速运动物体。同时，对于低速运动的物体，由于单孔径系统的固有弱点，对于空间运动目标的成像是全局的，而没有实现对不同的区域时间进行细分，导致对于微小角度的分辨力差，因此人眼对于极低速目标的感知能力同样有限。数据显示人眼对于移动目标的感知范围仅限于3’/s–35°/s的区间。二、国内外发展现状（1000字）人工复眼视觉理论是集机械学、生物学、光电子和信息科学等多学科为一体的前沿领域。在复眼器件和系统研究领域中，2000年，JunTanida领导的日本大阪大学研究团队提出了名为TOMBO(ThinObservationModulebyBoundOptics)的复眼单色成像系统1，整体上是呈平面结构，子眼为矩形分布，可实现图像的超分辨率重构、目标的立体视觉。分辨率视场角单眼复眼0°-180°-90°90°180°2004年，DuparréJ.带领的德国研究团队提出并研制了仿生复眼成像系统AACO(ArtificialAppositionCompoundEyeObjective)[2]，同样是基于平面结构，但是采用啁啾微透镜阵列代替普通的均匀透镜阵列，可纠正因散光和场曲引起的成像失真。2007年，DuparréJ.团队首次将并列型复眼设计应用于曲面结构，提出了球面人造复眼成像系统[3]，利用曲面分布的微透镜阵列代替平面结构，更加接近自然界真实存在的复眼，提高了边缘视场的成像质量，增大了视场角，但是为了保证各通道图像均聚焦于平面CCD探测器，采用了传统的体透镜光学系统，对成像质量的提升相对有限。国内对于仿生复眼透镜的制造，现在主要是基于光刻工艺,液滴透镜和超精密加工。2008年华中科技大学刘浩和陈四海，利用自聚焦原理在聚合物中完成了复眼光锥的自写入[4]。2010年，中国科学技术大学张浩和王克逸设计球面基底上液滴透镜[5]，结合折转透镜使得目标在平面CCD上成像。2012年，西南大学蒋小平使用光刻离子交换法[6]，在球面玻璃基片中制作了折射率呈三维梯度变化、排列紧密和光学性能良好的微透镜阵列。国外对于复眼的灵敏度的研究目前在真正意义的仿生层面上不多，能够完成同时完成复眼结构设计和算法设计的地方，北美地区目前有加拿大约克大学[7]和美国麻省理工学院[8]。2004年，加拿大约克大学研究团队提出了基于复眼结构的三维位标探测器原型“蜻蜓眼”，子眼通道采用透镜—光纤束结构，实现了将球面上的子眼图像通过光纤束传导在平面CCD探测器上进行成像，可快速检测运动物体的速度和距离；但“蜻蜓眼”尚停留在初始验证阶段，技术复杂度高。2009年麻省理工学院多媒体实验室的ShinsakuHiura等人在基于GRIN介质的磷虾复眼大视场成像一文中实现了仿磷虾的重叠性复眼的结构，并且实现了20-40°,80-100°之间转角的测量，角度测量的标准差为2.17°。国外生物学界对于复眼的灵敏度的研究早有涉及。国外的生物物理学界通常认为重叠型复眼较并列型复眼有更高的灵敏度，但是其在并列型复眼的基础上是进一步牺牲了空间分辨率。1999年，Frank通过海洋生物的考察，在ComparativeStudyofTemporalResolutionintheVisualSystemsofMesopelagicCrustaceans[9]一文中给出了生物视觉灵敏度的一般定义：Theoverallsensitivityoftheeyewasestimatedbydeterminingthelogoftheirradiance(logI)requiredtoproducearesponsethatwas10%oftheamplitudeofthemaximumresponsetheeyewascapableofgenerating.在这里的灵敏度不算是真实意义上的灵敏度，属于仪器仪表学科范畴内通常定义的分辨力。国内对复眼的灵敏度的研究大多停留在纸面上的陈述且没有统一和定量的标准。在复眼文献中一般会提及复眼的优点包括灵敏度很高这一特点，但是在文中并不存在灵敏度高的定量描述。国内较为前沿的研究有中国科学技术大学和清华大学。2009年，中国科大的王浩和张克逸使用神经网络结构对于角度测量的残差达到0.001rad—0.0001rad，相对误差达到3%[10]。2007年，清华大学陶圣和曾理江结合昆虫复眼运动神经具有的空间侧抑制机制，设计了一种全硬件方法实现的复眼模型[11]。虽然该模型不能计算出物体的三维点坐标，但是它的数字部分采用触发响应模式，使系统具有很宽的速度测量范围，实现了捕捉快速移动物体的功能，具有很高的灵敏度。他们的实验表明，当物体运动的角速度在0.08rad/s到0.90rad/s的范围内，该复眼可以准确的判断运动方向，并测出角速度。三、课题的研究内容、方法及手段（2000字）A.研究内容:本课题的研究内容主要可以分为以下几个方面：1.多孔径成像系统灵敏度初步定义：生物学上的复眼灵敏度，在仿生复眼中的意义有所不同。而仿生复眼的灵敏度是针对实际参数需要而定义的。从静态角度出发，仿生复眼可以获得大视场的图像；从动态角度出发，复眼对运动目标的灵敏度极高。而复眼系统下的运动目标灵敏度，国际上尚无统一的量化表述。2.多孔径为光学成像系统数学建模：由式ω=dФ/dt可知，要从图像信息中获得角度信息，我们必须建立从图像区域到各个子眼区域的一一映射关系，并由子眼区域推测出角度区域的一一映射关系。这些标定的细节对于系统的测量极其关键。同时，为了建立单孔径系统和多孔径系统之间的定量比较，对复眼系统建模此时起到了关键作用。这里拟分析同样通光口径的复眼透镜对于单子眼透镜的角速度分辨率的提升度和对于高速运动目标的反应时间的比较。3.系统测试和模型完善：系统测试阶段中，研究的主要任务是如何在有限的系统之中，获取理想的技术指标。同时如何根据每一部分系统指标的权重，来重新对原有的系统进行改进和再设计。系统的测试的主要内容就是将复眼灵敏度和单目标，多目标速度感知的算法移植并集成到系统之中，以期获得较高的系统可靠度。同时，将测量值与真实值进行分析比较，对数学模型实施校正和完善。B.研究方法和手段：首先完成灵敏度的大致定义，现象一个实际场景，人们在做火车的时候，眼睛眺望窗外的山峦，灯塔等较远的物体时，眼睛不会感到累，并且觉得它们相对自己本身的移送速度很慢。但是，当人们低头看铁轨的时候，感觉很难跟上铁轨的移动。同样的线速度的物体，只不过是离人眼的距离远近不同，导致了不一样的视觉感受。因此，从实际场景中可以体会到，角速度，而不是线速度，是衡量成像系统对移动目标感知能力的一个参数。因此，可以先将灵敏度初步定义为何角速度相关的参数。再次，通过比较典型的单眼成像系统（人眼）和复眼成像系统（蜻蜓复眼）的优缺点，建立仿生复眼系统目标探测的硬件层面的描述。根据以上对于人眼固有成像缺点的分析和总结，为克服单眼成像系统感知高速目标的第一个劣势，仿生复眼对于图像信号采样频率高，能精确描述物体在更短的时间间隔之内的运动；为克服单眼成像系统感知高速目标的第二个劣势，仿生复眼拥有多个子眼，子眼间的像素均匀分布，不存在中央凹区域，解决了非线性和不均匀问题。同时仿生复眼成像系统的在理论上可以达到180°的视场角，这有助于解决扫视的问题。为克服单眼成像系统感知低速目标的缺点，仿生复眼系统的子眼之间实现了成像的区域化，空间移动目标成像通常落在单个子眼所对应的图像传感器上，此时该区域的图像信号通常可以认为是数字信号，使用0或1即可描述在子眼成像区域对应的空间角上移动目标的存在情况。子眼个数越多，对空间角细分能力越优，对于跨子眼的慢速移动目标的角度感知阈值越低，分辨力越高，感知能力越强。然后，在图像标定的基础上，对多孔径光学系统对单目标的成像实施数学建模。公式ω=dФ/dt指出，灵敏度由空间的角度Ф和时间t共同定义。在子眼之间(inter-eye)计算Ф时，需要借助加工之后子眼间的已知参数和标定之后子眼和图像成像区域一一对应关系实现；在子眼之内(intra-eye)，需要由图像中心的亚像素级定位来完成。为了达到较短的时间间隔t，需要通过高速相机实现。图2：并列型复眼成像示意图这里需要着重强调的是，就角度估算而言，复眼系统关注的重点不是成像分辨率，而是目标能否在感光元件上实现质点化的成像。运动学研究中通常希望把运动目标当作一个质点来加以估计，同样道理，图像的细节和纹理信息在该系统下处于次要位置。在单孔径系统中，所强调的通常是分辨率，通常而言目标在单孔径系统的成像相对复眼透镜的单个子眼成像较大，这就导致了图像在移动过程中需要实现在较大片的成像区域中处理图像，冗余信息较多。而在本课题所研究的复眼成像系统中，如图3中的系统所示，对于理想情况，每个子眼只对一个较小的、不重叠的空间角区域成像。图3：实验装置示意图考虑到物体的大小并非无穷小，空间的一个点最多可在相邻的3个子眼上成像。由于复眼透镜的焦距较小（由大视场角和探测器像面尺寸所约