一种基于光纤立体复眼系统的目标三维探测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光纤立体复眼系统的目标三维探测方法，建立光纤立体复眼系统，然后进行图像数据采集，并提取图像中的光学信息，然后搭建BP神经网络进行光纤立体复眼系统的标定，即建立光斑图像与目标光点的映射关系，最后将光斑图像的光学信息带入建立好的BP神经网络探测出目标光点的三维信息，完成目标光点的三维探测。本发明专利技术采用基于光纤立体复眼系统和BP神经网络探测目标的三维信息，探测快速，探测结果准确。探测结果准确。探测结果准确。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤立体复眼系统的目标三维探测方法


[0001]本专利技术涉及光学三维测量和计算机视觉领域，具体是一种基于光纤立体复眼系统的目标三维探测方法。

技术介绍

[0002]复眼是昆虫的主要视觉器官，由许多小眼组成的，每个小眼呈六角形，许多小眼紧密排布在一个曲面上。小眼一般由角膜、晶状体及感光细胞组成，能够分辨光暗和颜色，但是并不能有效地成像。而由众多小眼组成的复眼却能够为动物提供非常广阔的视野，并可以有效的计算自身与所观察物体的方位、距离。一般而言，昆虫的复眼是成双出现的。单个复眼的视场大，但分辨率低，双复眼会出现视场重叠，如人的双眼一般，对目标方位、距离的捕捉更精确，从而有利于复眼类昆虫作出更快速的判断和反应。
[0003]物体方位和距离信息的获取无论在机器人导航避障、汽车自动驾驶、航空测绘，还是在军事运用、医学成像和工业检测等领域都有着越来越重要的运用。而复眼具有视场大、反应迅速、结构紧凑等优点，是其他传感器所不能替代的。因此针对仿生复眼的目标三维探测是亟须要解决的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于光纤立体复眼系统的目标三维探测方法，采用立体光纤复眼采集目标光点，并采用BP神经网络建立的光斑图像与世界坐标系的非线映射关系，最终实现目标的精准定位。
[0005]本专利技术的技术方案为：
[0006]一种基于光纤立体复眼系统的目标三维探测方法，具体包括有以下步骤：
[0007](1)、建立光纤立体复眼系统：光纤立体复眼系统包括有转台、导轨、LED标靶和立体光纤复眼和摄像机，所述的立体光纤复眼包括有并排设置且朝向一致的左光纤仿生复眼和右光纤仿生复眼，立体光纤复眼和摄像机均固定于转台上，摄像机的镜头水平朝向立体光纤复眼用于图像数据采集，水平设置的导轨的一端朝向转台，LED标靶包括有从下往上顺次设置的一列LED光源，LED标靶滑动设置于导轨上；
[0008](2)、图像数据采集：以左光纤仿生复眼和右光纤仿生复眼中心连线的中点作为原点O，以导轨的轴向建立Y轴，LED标靶的轴向建立Z轴，与Y轴垂直的水平轴向作为X轴，从而建立世界坐标系O
‑
XYZ；然后将LED标靶按设定间距沿导轨进行Y轴向的等间距逐步移动，当LED标靶每移动一步，转台进行等角度的旋转运动，转台的旋转范围为左光纤仿生复眼和右光纤仿生复眼视场重叠区的视场角范围，当转台在旋转范围内每旋转设定角度定位后，LED标靶上的一列LED光源顺次逐一打开，且每次仅打开一个LED光源，每打开一个LED光源，摄像机采集一次立体光纤复眼的光斑图像，直至摄像机将光纤立体复眼系统中所有位置对应的光斑图像均采集完成，并存储于图像数据采集库中；
[0009](3)、提取图像中的光学信息：提取光斑图像中光斑的位置信息，光斑图像中每个
光斑的灰度值即为此光斑的光学信息g
i
，光学光斑图像中所有光斑的光学信息g
i
集合成完整光学信息G(n)，即每个光斑图像都有对应的完整光学信息G(n)；
[0010](4)、建立BP神经网络：当目标光点
‑
P点被光纤立体复眼捕获且P点处于半径为R的虚拟圆柱面上，那么此时P点的三维信息由水平角θ、仰角φ以及距离R表示；在标定过程中，P点相对于光纤立体复眼的水平距离R通过LED标靶相对于转台上光纤立体复眼的水平距离得到、P点相对于光纤立体复眼的水平角θ由转台的旋转角度得到，仰角φ由下式(1)得到：
[0011]φ＝arctan(h/R)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)；
[0012]式(1)中，R为P点所在虚拟圆柱面的半径，h为世界坐标系O
‑
XYZ中P点的高度值；
[0013]世界坐标系O
‑
XYZ中P点的三维信息与对应光斑图像的完整光学信息G(n)存在非线性映射关系，具体见公式(2)：
[0014](θ,φ,R)～f(G(n))
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；
[0015]搭建BP神经网络进行光纤立体复眼系统的标定，即建立光斑图像与目标光点的映射关系；
[0016](5)、将光斑图像的光学信息带入建立好的BP神经网络探测出目标光点的三维信息，完成目标光点的三维探测；其中，BP神经网络的输入量为光斑图像的完整光学信息G(n)，输出量为目标光点P点的三维信息(θ,φ,R)。
[0017]所述的立体光纤复眼的左光纤仿生复眼和右光纤仿生复眼均包括有球壳和排布于球壳球面上的多个光纤子眼，立体光纤复眼还包括有光纤集成板，左光纤仿生复眼和右光纤仿生复眼上多个光纤子眼的光纤输出端均集成于光纤集成板上，多个光纤子眼位于光纤集成板的排布与对应的左光纤仿生复眼或右光纤仿生复眼对应，且每个光纤子眼在光纤集成板上均设置有对应的子眼号，所述的摄像机的镜头水平朝向立体光纤复眼的光纤集成板，用于拍摄光纤集成板上的光斑图像。
[0018]所述的转台上固定有支架，立体光纤复眼和摄像机均固定于支架上，使得世界坐标系O
‑
XYZ中，原点O沿Y轴朝向LED标靶位于中心高度的一个LED光源的中心。
[0019]所述的导轨上设置有标尺，导轨邻近转台的一端设定为标尺的零点。
[0020]所述的步骤(3)中，提取光斑图像中光斑位置信息的具体步骤为：首先对摄像机采集的原始光斑图片进行图像二值化和中值滤波处理，然后对图像处理后的光斑图像进行左光纤仿生复眼和右光纤仿生复眼的连通域划分，计算出每个连通域的形心，具体函数如下：
[0021][0022]其中，
[0023]计算得到的形心则用来代表每个子眼对应光斑的参考坐标(x
i
,y
i
)，以每个光斑的参考坐标(x
i
,y
i
)为圆心，以半径为光斑面积对应的像素进行区域分割并整合，得到标准光斑区域图，标准光斑区域图与光纤集成板上的孔位一一对应；
[0024]任一张光斑图像中，将光斑图像中的光斑集合与标准光斑区域图进行匹配，即可
确定每个光斑的子眼号，同时提取这个光斑的灰度值并存入相对应的g
i
。
[0025]所述的步骤(4)中，搭建BP神经网络的具体步骤为：
[0026]设定输入层神经元数为m、输出层神经元数为n，神经网络由L层神经元组成；设第(l
‑
1)层第j个神经元到第l层第i个神经元的连接权值为第l层第i个神经元的偏置为则第l层神经元的第i个神经元的输出为：
[0027][0028]其中，f(
·
)为神经元的激活函数，为第l层第i个神经元的的输入，s
l
为第l层神经元的数目；
[0029]对于m个训练样本的误差函数为：
[0030][0031]其中，E(i)为单个样本的训练误差，y
k
(i)为第i个训练样本的期望输出，o
k
(i)为实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤立体复眼系统的目标三维探测方法，其特征在于：具体包括有以下步骤：(1)、建立光纤立体复眼系统：光纤立体复眼系统包括有转台、导轨、LED标靶和立体光纤复眼和摄像机，所述的立体光纤复眼包括有并排设置且朝向一致的左光纤仿生复眼和右光纤仿生复眼，立体光纤复眼和摄像机均固定于转台上，摄像机的镜头水平朝向立体光纤复眼用于图像数据采集，水平设置的导轨的一端朝向转台，LED标靶包括有从下往上顺次设置的一列LED光源，LED标靶滑动设置于导轨上；(2)、图像数据采集：以左光纤仿生复眼和右光纤仿生复眼中心连线的中点作为原点O，以导轨的轴向建立Y轴，LED标靶的轴向建立Z轴，与Y轴垂直的水平轴向作为X轴，从而建立世界坐标系O
‑
XYZ；然后将LED标靶按设定间距沿导轨进行Y轴向的等间距逐步移动，当LED标靶每移动一步，转台进行等角度的旋转运动，转台的旋转范围为左光纤仿生复眼和右光纤仿生复眼视场重叠区的视场角范围，当转台在旋转范围内每旋转设定角度定位后，LED标靶上的一列LED光源顺次逐一打开，且每次仅打开一个LED光源，每打开一个LED光源，摄像机采集一次立体光纤复眼的光斑图像，直至摄像机将光纤立体复眼系统中所有位置对应的光斑图像均采集完成，并存储于图像数据采集库中；(3)、提取图像中的光学信息：提取光斑图像中光斑的位置信息，光斑图像中每个光斑的灰度值即为此光斑的光学信息g
i
，光学光斑图像中所有光斑的光学信息g
i
集合成完整光学信息G(n)，即每个光斑图像都有对应的完整光学信息G(n)；(4)、建立BP神经网络：当目标光点
‑
P点被光纤立体复眼捕获且P点处于半径为R的虚拟圆柱面上，那么此时P点的三维信息由水平角θ、仰角φ以及距离R表示；在标定过程中，P点相对于光纤立体复眼的水平距离R通过LED标靶相对于转台上光纤立体复眼的水平距离得到、P点相对于光纤立体复眼的水平角θ由转台的旋转角度得到，仰角φ由下式(1)得到：φ＝arctan(h/R)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)；式(1)中，R为P点所在虚拟圆柱面的半径，h为世界坐标系O
‑
XYZ中P点的高度值；世界坐标系O
‑
XYZ中P点的三维信息与对应光斑图像的完整光学信息G(n)存在非线性映射关系，具体见公式(2)：(θ,φ,R)～f(G(n))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；搭建BP神经网络进行光纤立体复眼系统的标定，即建立光斑图像与目标光点的映射关系；(5)、将光斑图像的光学信息带入建立好的BP神经网络探测出目标光点的三维信息，完成目标光点的三维探测；其中，BP神经网络的输入量为光斑图像的完整光学信息G(n)，输出量为目标光点P点的三维信息(θ,φ,R)。2.根据权利要求1所述的一种基于光纤立体复眼系统的目标三维探测...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈向成，陈颖，王玉伟，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：