天津大学本科生毕业设计(论文)开题报告_余蓝涛_final.pdf

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1、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（BiomimeticComp

2、oundEye）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，

3、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

4、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。分辨率单眼复眼视场角-180°-90°0°90°180°图1：复眼与单眼在不同视场角下的分

5、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

6、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1队提出了名为TOMBO(ThinObservationModulebyBoundOptics)的复眼单色成像系统，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。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。20

7、07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