用于大视场目标定位的复眼系统标定

　　1　引　言

　　近年来，随着仿生学的发展，复眼的应用也受到越来越多的关注[1-4]。由于复眼具有多通道同时成像的特点，对运动目标具有高灵敏度反应能力，可以快速完成近距离场合下大视场的目标探测、定位以及图像的超分辨重构等任务，因此在军事、医疗以及航空等领域都有着潜在的应用价值。但受透镜光学加工工艺的限制，复眼透镜易在目标点与成像点之间产生非线性畸变。在一些机器视觉测量领域，这种畸变对测量结果的精度有很大的影响。

　　国内外一些学者对这种视觉成像畸变情况进行了大量的研究。Zhang、Hartley、Jun分别研究了基于平面格点模板、自标定、神经网络等标定技术[5-7];同时其它学者也对使用消逝点或纯旋转的标定方式进行了研究[8-11]。2004年RichardHornsey小组设计了一种多达20个子眼组成的复眼[12]，每一个子眼分别成像在大约150个像素直径的图像传感器区域。用一个放在复眼平面前方的固定场景作为参考系进行系统标定。大约使用100个位置来标定每一个视场角。根据一系列目标在成像平面上的位置，采用最小二乘法确定变换系数，从而计算出参考面上目标的位置。Krishnasamy[13]针对复眼成像系统的标定问题，采用Z-平移和消逝点处理技术，完成了以确定图像中心为基准的标定。

　　本文在研究簇眼标定的基础上，进一步探索了复眼系统的标定工作。由于所设计的复眼成像系统采用了曲面分布的多透镜阵列和折转透镜两层成像结构，和传统相机的成像方式有很大区别。根据复眼结构，各个子眼的位置已经固定，各通道的坐标可视为已知。若用于标定的目标点空间三维坐标已知，则可通过建立的数学模型同时对多通道成像进行标定，从而省去了对各个子眼分别进行标定的大量工作。基于以上思路，本文详细探讨了成像系统的标定方法和实现步骤。最后分析了影响精度的因素。

　　2　复　眼

　　系统主要由球面基底、玻璃透镜、折转透镜和平面探测器等组成，如图1所示。通过在外层球壳的不同位置打阶梯孔来放置玻璃透镜，其同时能起到视场光阑的作用。内层为折转透镜，对于单个通道而言，它的口径很小，可看作一棱镜，通过折转主光线能有效改善光线的成像质量，使系统达到较大的视场角[14]。CMOS图像传感器用来接收目标的多通道成像像点，每个单独的通道都对应一定的视场。

　　球壳的外球面半径为60 mm，内球面为55mm;折转透镜的外球半径是50mm，内球半径是42mm，偏心量为12mm;玻璃透镜的半径均为3mm。透镜阵列具体的三维分布由子午面绕基轴旋转形成，每1个通道又是周围6个最近通道所构成正六边形的中心，这种排列方式在尽量避免盲区的同时又符合紧密排列的原则。子午面上分布15个通道，相邻通道之间夹角为7°，整个系统共由169个通道组成，视场角最大可达110°。为便于分析，把位于中心的透镜定义为主透镜(主通道)，其余通道定义为辅助透镜，然后对每个通道进行编号并对各通道建立自己的坐标系。通道编号如图2所示。