用于运动目标跟踪的变焦仿生复眼系统研究

As a research hotspot in machine vision, moving target tracking is widely used in national defense, intelligent monitoring, athletic sports and so on. Because of the randomness of target motion, the tracking task is challenging. How to achieve high-definition real-time images of high-speed moving targets in large field-of-view (FOV) is a key technical problem faced by traditional visual tracking systems. This project is dedicated to the application of zoom bionic compound eye system for moving target tracking. The system not only has the advantages of large FOV, high-resolution and high-sensitivity of compound eye, but also ensures the definition of the target at different working distances through automatic zoom. This project uses the camera FOV to seamlessly segment the compound eye FOV, thus optimizes the arrangement of cameras. Phase target is used to calibrate the compound eye system, which reduces the cost and complexity of calibration. According to the moving state of the target, coordinating the cameras and fusing multi-channel information to realize high-definition real-time tracking of high-speed moving targets in large FOV. The implementation of this project provides new solutions for visual tracking, lays a theoretical foundation for the follow-up work, and promotes the practical process of bionic compound eye.

运动目标跟踪作为机器视觉的研究热点，广泛应用于国防军事、智能监控、体育运动等领域。由于目标运动具有随机性，使得跟踪任务颇具挑战性，如何获得大视场范围内高速运动目标的高清实时影像是传统视觉跟踪系统所面临的关键技术难题。本项目致力于变焦仿生复眼系统在运动目标跟踪领域的应用研究，该系统不仅具有复眼大视场、高分辨、高灵敏度等优点，而且通过自动变焦可保证不同工作距离下目标的清晰度。本项目使用摄像机视场对复眼视场进行无缝分割，优化摄像机排布方式；利用相位标靶进行复眼系统标定，降低了标定的成本和复杂度；根据目标的运动状态，协调复眼中各摄像机，融合多通道信息，实现大视场高速运动目标的高清实时跟踪。本项目的实施将为视觉跟踪提供新的解决方案，为后续工作奠定理论基础，并推动仿生复眼的实用化进程。

传统大视场成像技术如曲面反射镜和鱼眼透镜存在图像畸变大、分辨率低等问题，仿生复眼通过模仿昆虫复眼的曲面多目结构，具有大视场、高分辨、高灵敏度等优势，在运动目标跟踪领域具有广阔前景。本项目利用变焦摄像机作为子眼，设计并搭建了变焦仿生复眼系统，保证大视场、高分辨和高动态特性的同时，赋予了仿生复眼大景深变焦特性，进一步地研究了变焦仿生复眼动态视觉成像机理，为变焦仿生复眼在运动目标跟踪领域的应用提供理论支持和技术参考。本项目的主要研究内容和成果如下：(1) 根据矩形视场拼接思想，确定了摄像机阵列排列方式，设计了仿生复眼球形壳体；利用变焦摄像机作为子眼，制作了一款大视场、高分辨、大景深的摄像机阵列变焦仿生复眼；此外，利用光纤作为子眼，制作了一款高灵敏度的光纤阵列立体仿生复眼。(2) 利用傅里叶变换恢复出正交条纹标靶的水平和竖直截断相位分布，并从中提取零相位点作为标定特征点；然后建立了特征点图像坐标与世界坐标的映射关系，求解出了不同驱动电流下变焦液体透镜的主点、焦距、畸变等参数，并拟合得到主点、焦距、畸变等参数关于驱动电流的函数，该方法具有成本低，灵活性高等优势；此外，还设计了伞状相移光栅标靶和编码正交条纹标靶，实现了多摄像机全局标定。(3) 面向摄像机阵列变焦仿生复眼，通过计算运动目标的散焦值，快速调节液体透镜的驱动电流，查找散焦值最小时对应的驱动电流，同时估计运动目标的成像距离和运动方向并实时反馈，实现运动目标自动跟踪聚焦；面向光纤阵列立体仿生复眼，利用神经网络建立了探测目标的光斑分布与空间位置的映射关系，快速准确地探测到运动目标的三维空间位置。