复眼用于三维目标探测与三维重建研究开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

复眼是昆虫的主要视觉器官，它由多数子眼组成。每个子眼都是一个独立的感光单位。一些节肢动物的复眼中含有色素细胞，光线强时色素细胞延伸，只有直射的光线可以射到视杆，为视神经所感受，斜射的光线被色素细胞吸收，不能被视神经感受。这样每个子眼只能形成一个像点，众多子眼形成的像点拼合成一幅图像。受限于每个子眼的尺寸，实际的昆虫复眼通常视觉锐度非常差，即复眼的空间分辨率非常低。不过另一方面，通过多个子眼观察物体，复眼对运动物体的反应比其他生物灵敏的多，其时间分辨率可达200fps。

动物的复眼是由不同个数的子眼构成，比如说家蝇的复眼约由4000个子眼组成，蝶、蛾类的复眼约有28000个子眼。因为子眼通常是排列在曲面上的，很自然地每个子眼的光轴都朝向不同的方向，所以这种结构的复眼具有很多优势，包括大视场角成像、对运动物体高度敏感性、结构高度紧凑等。此外，复眼还能够检测阳光的偏振模式，用于偏振光导航。

由于复眼具有的以上优势，所以近年来关于人工仿生复眼的研究越来越多，绝大部分的人工仿生复眼系统都是用于大视场成像。同时也因为复眼具有多通道同时成像和子眼曲面分布的结构特点以及高的神经网络集中处理数据能力，因此可完成近距离、大视场条件下对高灵敏度运动目标的探测、定位、超分辨重构以及高精度三维目标测量等任务，这在很大程度上弥补了双目视觉所具有的视场小、可靠性低、功耗高和操作不便等缺陷，因此在军事、医疗以及航空等领域都具有极大的潜在应用价值。多通道的复眼成像系统注定要有较多的像素成像单元、高标准的光学设计、较复杂的通道识别、目标提取以及所具有的多透镜特殊校正方法。因此复眼用于三维目标探测和三维目标重建的设计与研究具有重要的科研探索和实际应用价值。比如对机器人导航，还有三维物体测量这些方向都能起到重大的作用。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：曲面仿生复眼系统主要包括：微透镜阵列、弯月透镜图像传感器和支撑壳体。其中，微透镜阵列由169个直径为6mm、曲率半径25.86mm、焦距为48.42mm的平凸透镜组成；弯月透镜作用是控制入射光线的传播方向并使其聚焦在图像传感面上，其外径为50mm，内径为30mm，偏心距为8mm；图像传感器物理尺寸为24.6mm×24.6mm。每个微透镜的视场角约为20°，相邻微透镜光轴之间的夹角约为7°，存在较大的视场重叠，因此空间某一物点可以同时通过数个微透镜，在图像传感器上生成数个像点。根据三角测量原理，我们就可以计算出物点的空间坐标，进而实现三维空间的探测。探测完成后进行三维重建。

目标：研究复眼探测的模型；研究复眼用于单点探测模型；完成复眼三维重构

技术方案及措施：对复眼系统的透镜等硬件组成部分进行有针对性的改良；相机标定方法（单子眼标定：双平面标定法；多子眼标定基于光场的多位置标定方法）；进行复眼测量实验，将实验结果仿真出来。

3. 研究计划与安排

1-2周，查阅相关文献资料，完成英文翻译，完成开题报告；3-6周，学习复眼探测相关资料；7-9周，学习常見的相机标定方法；10-12周，完成基于复眼测量实验；13-15周，撰写毕业论文，完成论文答辩。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]郭方.新型复眼定位装置设计及关键技术研究[d].中国科学技术大学,2012.

[2]马孟超.用于目标三维探测的复眼系统设计研究[d].中国科学技术大学,2014.

[3]简慧杰.用于三维目标探测的人工复眼系统关键技术研究[d].中国科学技术大学,2019.