[发明专利]一种多相机协调控制与快速精确目标识别装置

说明书

技术领域

本发明涉及机器人仿生视觉技术领域，具体涉及一种仿跳蛛视觉系统的多相机协调控制与快速精确目标识别装置。

背景技术

跳蛛头部8只眼睛在彩色扫描电子显微镜下的分布情况。跳蛛的8只眼睛，分3列排布。第1列的4只眼睛在头胸部前端的垂直面上，中间两眼(AME)特别大，两旁的眼(ALE)较小，均有磁质光泽。第2列眼(PME)位于头胸部前部背面，相当小，往往被毛挡住一部分而不易看清。第3列眼(PLE)常与前侧眼大小相近。如用线把这8眼连起来，可以看到它们组成1个方形或近似方形的眼区。跳蛛的视力在无脊椎动物中最佳，许多种类能分辨10～30厘米远的猎物或其他蜘蛛。跳蛛首先会在30倍于体长的距离外看到并且辨认出猎物，然后悄悄地追踪，其间爬行、等待、跳跃并举。

跳蛛的AME具有非常高的分辨率，但视场范围比较窄，约2°到5°。然而，跳蛛AME后部的管状视网膜可以沿视觉直线轴移动，实现对窄静态视场的动态补偿。这类似于大多数灵长类动物通过运动眼睛将感兴趣图像聚焦到中心凹。

大多数生物或是通过调节眼睛中晶状体的焦距视物(例如人类的双目立体视觉系统)，或是靠移动头部制造一种″运动视差″来评估与某个物体的距离。虽然，跳蛛有8只眼，其中，4只在头部上方密集排列，包括两只较大的主眼和两只较小的侧眼，但视力极佳的跳蛛却无法通过调节眼睛中晶状体的焦距视物，也不具备制造″运动视差″的能力。

日本研究人员在新一期美国《科学》杂志上报告说，跳蛛的视觉系统能很好地利用光线中的绿光，形成独特的图像散焦机制。在捕捉猎物时，跳蛛的侧眼首先感知到运动中的目标，然后再靠主眼瞄准。跳蛛主眼的视网膜有4个感光细胞层，其中下面两层含有对绿光敏感的色素。由于各个感光细胞层与晶状体之间的距离不同，入射光线中的绿光只能在最下面一层上聚焦，而倒数第二层虽然也对绿光敏感，但却不能清晰聚焦，只能形成模糊的图像。研究人员分析后认为，跳蛛正是通过对比这两层的图像、并根据模糊图像的散焦程度推算出与猎物之间的真实距离。这一新发现将有助于研发适用于机器人的新型视觉系统。

跳蛛的主眼像猫眼一样精良，但是构造迥异。我们从外面看到的是静止的，有着长焦距的角膜晶体。在每个凸面晶体之后都有一根长眼管通向复杂的视网膜。光通过视网膜表面锥形凹陷处时发生折射，这就像望远镜的镜片一样，产生了放大图像的效果。对于光谱中从紫外线到绿光都很敏感的感光体分布在四层中。人们认为，跳蛛之所以可以辨别颜色就在于这种分层的排列以及光的不同波长聚焦深浅有异。此外，感光体在最底层分级式的排列使得蜘蛛在没有调节晶体的情况下，可以从远到近一直都对准物体。在最底层的中间区域有一个小凹坑，感受体非常紧密地排在里面。凹坑很小，只有大约100个感受体，形成大约2度的视角。然而，为了弥补这个窄角视界，跳蛛有六块肌肉附着在眼管上，这样就可以自如旋转、来回移动。一盯上目标猎物，眼部晶体就会在凹坑中投下巨大的图像，跳蛛就会通过移动凹坑对它进行监视。

跳蛛采用的是一个叫做图像散焦的视觉方式，该方法涉及到将一个模糊的画面与一个清晰分明的画面进行比较。人类用画面散焦来对两个物体间的距离进行粗略估计——想想那些前景模糊但背景清楚的照片——但是到目前为止，没有一种已知的动物是用画面散焦来确定与某单个物体的距离的。

目前，国际上对跳蛛生理视觉的研究比较成熟，但充分利用其优良特征的仿生研究还未出现，因此，仿跳蛛视觉系统的课题研究具有前沿性与创造性。此仿生系统将为机器人视觉实现360°大视场观察，并能从复杂的运动环境中识别到目标后利用主视觉相机对目标进行精确定位，这说明此技术具有先进性。

目前，机器人单目视觉主要是通过摄像机的前后移动，来计算中心线垂直平面内的目标位置。单目视觉观察目标时，一般损失了图像的深度信息，且感知范围有限，这限制了其使用。立体视觉定位主要是基于摄像机标定、三维笛卡尔空间坐标变换、图像匹配等来实现的。受摄像机标定误差的影响，基于立体视觉的传统定位方法往往使最终定位结果带有误差，并靠传感器来进行进一步修正补偿。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种多相机协调控制与快速精确目标识别装置，它配备仿跳蛛视觉系统的智能机器人拥有接近360°的检测视野，通过其特殊的目标定位方法；避免了多相机标定坐标系坐标转换的复杂计算。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：