專利名稱：3-3-2空間信息轉換新模式的仿生復眼運動目標檢測的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種運動目標檢測方法，特別是關于一種開拓了遙感信息時間分辨率應用新領域，且適用在野外環境中捕獲、識別運動目標的3-3-2空間信息轉換新模式的仿生復眼運動目標檢測。
背景技術：
現有的通過單個高分辨率鏡頭采集圖像進行運動目標檢測的方法，受到成像傳感器和平面圖像表達的約束，一般需要先將實際空間的3維信息轉變為2維信息檢測出運動目標，然后在計算機上進行圖像處理再現運動目標的3維信息，通常將這個過程定義為 3-2-3的信息轉換模式。3-2-3信息轉換模式不僅受硬件約束，而且計算量大，實時性也比較差，在3維對象到2維圖像的轉換過程中會丟失大量的細節信息，使得檢測的準確率大大減低，且在2維圖像到3維重建的過程中又會增加許多冗余數據，既沒有實際意義又造成數據量的急劇增長，特別是通過轉換模型實現3-2-3信息轉換的兩次變維數的數據轉換，必然會產生模型誤差。為了不使模型誤差影響高頻細節特征信息，只能用更多的冗余信息，把模型誤差全部保留下來，這種保留高頻細節的無損壓縮方法，幾乎進入技術無法發力的死胡同。更嚴重的是，如果觀測對象與觀測載體之間有相對運動，那么運動目標捕獲與識別時的數據冗余在上述基礎上將更大，實時識別與監測就更加困難，這也是遙感信息的高時間分辨率難以技術實現的瓶頸所在。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種實時性好、檢測效率高、檢測速度快、所需檢測數據量小的運動目標檢測方法，此方法是一種全新的3-3-2空間信息轉換新模式的仿生復眼運動目標檢測，填補了遙感領域時間分辨率應用的技術空白。為實現上述目的，本發明采取以下技術方案一種3-3-2空間信息轉換新模式的仿生復眼運動目標檢測，包括以下步驟①設置包括有多個低分辨攝像頭和一個高分辨攝像頭組合成球面的仿生復眼同步成像裝置，所述仿生復眼同步成像裝置還包括有控制系統，所述控制系統包括有DSP主控制核心單元、FPGA邏輯控制單元和圖像處理單元，所述圖像處理單元包括輪廓檢測算法、匹配重建算法和穩像算法；②將所述仿生復眼同步成像裝置放置在觀察載體上，所述觀察載體攜帶所述仿生復眼同步成像裝置對野外環境中的運動目標進行初步位置檢測；③所述DSP主控制核心單元對所述高分辨率和低分辨率攝像頭分別進行標號，同時記錄所述低分辨攝像頭中所有相鄰兩個低分辨攝像頭的初始位置；④ 開始捕獲運動目標時，DSP主控制核心單元發送信號到FPGA邏輯控制單元，FPGA邏輯控制單元發送控制信號控制所有低分辨率攝像頭對野外環境中的運動目標進行初步位置檢測， 并將采集的數據發送到圖像處理單元，圖像處理單元通過匹配獲得運動目標的三維輪廓點云；⑤根據低分辨攝像頭采集的數據所反饋的位置控制高分辨率攝像頭的拍攝位置，并采用高分辨率攝像頭對運動目標位置進行精確提取并進行穩像算法處理，得到清晰的運動目
所述步驟⑤的具體過程為所述DSP主控制核心單元將拍攝到運動目標初始數據的兩相鄰低分辨攝像頭的初始位置發送到FPGA邏輯控制單元，FPGA邏輯控制單元控制高分辨率攝像頭旋轉至所述初始位置，同時FPGA邏輯控制單元發送控制信號控制高分辨率的攝像頭實時拍攝運動目標完成運動目標的凝視成像，并將采集的數據發送到圖像處理單元處理后得到運動目標的清晰二維圖像。本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點1、采用本發明的仿生復眼運動目標檢測方法對野外環境中的目標進行識別時，首先采用多個低分辨率的攝像頭對運動目標的三維輪廓進行初步檢測，初步鎖定運動目標后利用高分辨相機通過二維凝視的方式精確識別運動目標，通過這種變分辨的數據采集方式不僅可以有效降低數據量，提高檢測效率，而且還可以解決視場、分辨率和實時性的矛盾問題。2、本發明基于仿生昆蟲復眼檢測機理對運動目標進行檢測方法，不但可以成數量級地減少三維數據的冗余，使信息量的指數量降低、空間信息維數的減少，而且可以在短時間內迅速捕獲運動目標，有效避免了 3-2-3 轉換模式帶來的信息處理瓶頸問題。本發明可以廣泛用于各種運動目標捕獲與檢測過程中。
圖1是本發明的昆蟲復眼檢測運動目標的原理分解圖；圖2是本發明的仿生復眼檢測功能的物理實現分級圖；圖3是本發明的仿生復眼同步成像裝置結構示意圖；圖4是本發明3-3-2數據獲取方法示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。如圖1所示，自然界中昆蟲的復眼為變分辨率球面成像系統，昆蟲在野外環境中捕獲運動目標的機理首先昆蟲的各個小眼通過側抑制邊緣增強對野外環境中運動目標的位置進行初級運動檢測，快速捕獲運動目標的三維輪廓，然后通過自身的視覺伺服控制系統調整復眼姿態進行穩定視場起到穩像的效果，將運動目標鎖定至視銳帶(小眼密集區域)即鎖定運動目標此刻所在的區域(大場景數據采集，粗檢測)，最后在視銳帶內昆蟲通過自身的視運動控制系統控制其高分辨率的小眼轉向視銳帶對運動目標進行凝視成像 (小場景數據采集，精提取)，從而跟蹤捕獲運動目標。如圖2、3所示，本發明基于昆蟲捕獲運動目標的機理提出仿生復眼檢測原理，分別從高到低依次通過功能仿生、控制仿生和結構仿生對運動目標進行檢測。首先通過結構仿生模仿昆蟲復眼成像結構設置一仿生復眼同步成像裝置，仿生復眼同步成像裝置可以是由一中心為孔狀的夾設裝置和圍繞該夾設裝置周向延伸出的六個支架組成，夾設裝置的孔中垂直固定有高分辨率攝像頭，六個支架的端部分別垂直固定有一個低分辨率攝像頭，且每一低分辨率攝像頭的拍攝角度可調，七個攝像頭的拍攝角度均通過功能仿生模仿昆蟲復眼的神經系統的一控制系統進行調節，通過仿生昆蟲的快速捕獲運動目標的功能對野外環境中的運動目標分別進行低分辨率的初步檢測和高分辨率的精確識別，其中控制系統包括有一 DSP主控制核心單元、一 FPGA邏輯控制單元和一圖像處理單元，DSP主控制核心單元配置好各種參數發送信號到FPGA邏輯控制單元，FPGA邏輯控制單元輸出控制信號控制仿生復眼同步成像裝置的旋轉并同時控制各攝像頭拍攝運動目標，完成數據的采集、傳輸與存儲，并將存儲的數據發送到圖像處理單元進行處理，圖像處理單元包括對運動目標的輪廓檢測、運動目標三維點云重建及穩像算法的實現。上述實施例中，仿生復眼同步成像裝置的具體結構和攝像頭的個數可以根據實際采集的需要進行設置。本發明如圖4所示具體實施例，采用仿生復眼同步成像裝置即采用六個低分辨率的攝像頭對野外環境中的運動目標進行初步檢測，采集運動目標的三維輪廓數據，然后根據采集結果利用高分辨率的攝像頭凝視目標區域跟蹤運動目標，獲取運動目標的二維高清數據，本發明采用3-3-2信息轉換模式對運動目標的檢測方法，包括以下步驟1)將仿生復眼同步成像裝置放置在一觀察載體的底部，且仿生復眼同步成像裝置是可以相對觀察載體轉動，觀察載體攜帶仿生復眼同步成像裝置對野外環境中的運動目標的位置進行初步檢測，觀察載體可以采用航空飛機。2)DSP主控制核心單元對所有的高分辨率和低分辨率攝像頭分別進行標號，同時記錄六個低分辨率攝像頭中每相鄰兩個低分辨率攝像頭的支架所在的平面與水平面的夾角，即確定所有兩個相鄰低分辨攝像頭的初始位置。如圖4所示，DSP主控制核心單元可以將高分辨的攝像頭的標號標記為0，依次將周向相鄰的六個低分辨率攝像頭依次標記為1、2、3、4、5和6，且記錄每相鄰的兩個放置低分辨攝像頭的支架所在的平面與水平面的夾角，此為低分辨攝像頭的初始位置，所有兩個相鄰低分辨攝像頭的初始位置共有六個角度，夾角可以取銳角。3)開始捕獲運動目標時，DSP主控制核心單元發送信號到FPGA邏輯控制單元， FPGA邏輯控制單元發送控制信號控制周向的六個低分辨率攝像頭對行駛在野外環境中的運動目標進行初步位置檢測，并將采集的數據發送到圖像處理單元，圖像處理單元通過匹配獲得運動目標的三維輪廓點云，具體過程為FPGA邏輯控制單元同時控制六個低分辨率的攝像頭多角度地對行駛在野外道路上的運動目標進行檢測，并實時提取六個低分辨率攝像頭采集的圖像，如果周向六個攝像頭的其中某一個攝像頭例如攝像頭1的視場范圍內出現運動目標，此時查看周向與其相鄰的攝像頭2或6中是否存在運動目標，如果與其周向相鄰的攝像頭2或6中沒有發現運動目標，則繼續查找，直到與其周向相鄰的攝像頭2或6中也同時出現運動目標(例如攝像頭 6中同時出現運動物體的目標)，此時將攝像頭1和與其相鄰的攝像頭6分別采集的運動目標的圖像進行存儲并發送到圖像處理單元進行三維重建，得到運動目標的稀疏三維點云輪廓。4)根據低分辨攝像頭采集的數據所反饋的位置控制高分辨率攝像頭的拍攝位置， 并采用高分辨率攝像頭對運動目標位置進行精確提取并進行穩像算法處理，得到清晰的運動目標。DSP主控制核心單元將攝像頭1和攝像頭6所在平面與水平面的夾角即初始位置的角度為α發送到FPGA邏輯控制單元，FPGA邏輯控制單元控制高分辨率攝像頭旋轉α使高分辨攝像頭旋轉至攝像頭1和攝像頭6所在平面，鎖定運動目標區域，同時發送控制信號控制高分辨率的攝像頭實時拍攝運動目標完成運動目標的凝視成像，并將采集的數據發送到圖像處理單元經過穩像算法處理得到運動目標的清晰二維圖像。
上述各實施例僅用于說明本發明，其中各部件的結構、連接方式和實施方法等都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護范圍之外。
權利要求
1.一種3-3-2空間信息轉換新模式的仿生復眼運動目標檢測，包括以下部分1)采用基于復眼結構仿生的低分辨率成像傳感器技術對野外環境中運動目標進行初步位置檢測得到運動目標的三維輪廓信息，實現了在復雜三維觀測環境下的簡單三維輪廓表征，使信息量成數量級減少；2)采用基于復眼結構仿生的高分辨率成像傳感器技術凝視目標區域對運動目標進行精確識別，且將識別的圖像進行穩像處理，得到運動目標的二維高清數據，不僅實現了在不增加信息量的條件下對運動目標的穩像跟蹤控制，而且實現了運動目標的三維輪廓向二維細節的識別控制，使得三維數據量降低為二維，三維精細數據量減少，實現了遙感觀測等保留高頻細節信息、實現有效目標的無損壓縮提供了仿生學手段。
2.如權利要求1所述的3-3-2空間信息轉換新模式的仿生復眼運動目標檢測，其特征在于仿生學機理的實現可根據生物視覺劃分為1)大視場低分辨率運動目標快速檢測的變分辨率球面初級檢測；2)視覺伺服的視運動控制；3)運動目標辨識的視銳帶內檢測的三級結構方法，及與之對應的結構仿生-大視場成像傳感器、功能仿生-圖像穩定、原理與功能仿生-運動目標檢測的三級物理實現劃分手段。
3.如權利要求1或2所述的3-3-2空間信息轉換新模式的仿生復眼運動目標檢測，其特征在于具體實現過程為①設置包括有多個低分辨攝像頭和一個高分辨攝像頭組合的仿生復眼同步成像裝置， 所述仿生復眼同步成像裝置還包括有控制系統，所述控制系統包括有DSP主控制核心單元、FPGA邏輯控制單元和圖像處理單元，所述圖像處理單元包括輪廓檢測算法、匹配重建算法和穩像算法；②將所述仿生復眼同步成像裝置放置在觀察載體上，所述觀察載體攜帶所述仿生復眼同步成像裝置對野外環境中的運動目標進行初步位置檢測；③所述DSP主控制核心單元對所述高分辨率和低分辨率攝像頭分別進行標號，同時記錄所述低分辨攝像頭中所有相鄰兩個低分辨攝像頭的初始位置；④開始捕獲運動目標時，DSP主控制核心單元發送信號到FPGA邏輯控制單元，FPGA邏輯控制單元發送控制信號控制所有低分辨率攝像頭對野外環境中的運動目標進行初步位置檢測，并將采集的數據發送到圖像處理單元，圖像處理單元通過匹配獲得運動目標的三維輪廓點云；⑤根據低分辨攝像頭采集的數據所反饋的位置控制高分辨率攝像頭的拍攝位置，并采用高分辨率攝像頭對運動目標位置進行精確提取并進行穩像算法處理，得到清晰的運動目標。
4.如權利要求3所述的3-3-2空間信息轉換新模式的仿生復眼運動目標檢測，其特征在于所述步驟⑤的具體過程為所述DSP主控制核心單元將拍攝到運動目標初始數據的兩相鄰低分辨攝像頭的初始位置發送到FPGA邏輯控制單元，FPGA邏輯控制單元控制高分辨率攝像頭旋轉至所述初始位置，同時FPGA邏輯控制單元發送控制信號控制高分辨率的攝像頭實時拍攝運動目標完成運動目標的凝視成像，并將采集的數據發送到圖像處理單元處理后得到運動目標的清晰二維圖像。
5.如權利要求1 4任一項所述的3-3-2空間信息轉換新模式的仿生復眼運動目標檢測，其特征在于其由3維運動目標對象首先轉換為3維輪廓點云最后進行2維凝視的一整套運動目標捕獲與成像表征的仿生學方法，相對于常規3-2-3模式由3維對象到2維捕獲存儲到3維重建的信息量指數級上升，3-3-2信息轉換模式實現了空間信息維數的減少和信息量的指數級降低，從根本上提高了檢測的效率，為遙感數據的時間分辨率應用提供了一種新模式。
6.如權利要求1 5任一項權利要求所述的3-3-2空間信息轉換新模式的仿生復眼運動目標檢測，其特征在于1)基于復眼結構的仿生高低分辨率組合成像傳感器技術，能夠實現大視場、多分辨率、快速運動目標檢測；2)基于復眼機理的輪廓表征檢測方法；3)基于仿生復眼輪廓伺服跟蹤的穩像機理及反饋控制手段。
全文摘要
本發明將生物視覺劃分為三級結構和仿生目標檢測的三級物理實現手段，給出3-3-2空間信息轉換新模式的仿生復眼運動目標檢測，采用基于復眼結構仿生的低分辨率成像傳感器技術對運動目標初步檢測得到三維輪廓信息，使冗余信息成數量級減少；采用基于復眼功能仿生的高分辨率成像傳感器技術凝視目標區域對運動目標精確識別，將識別的圖像進行穩像處理，得到運動目標的二維高清數據，實現了在不增加信息量條件下對運動目標的穩像跟蹤控制、運動目標的三維輪廓向二維細節的識別控制，使三維數據量降低為二維，三維精細數據量減少，由此實現遙感觀測等保留高頻細節信息、無損壓縮有效目標信息的仿生學手段。本發明可以廣泛用于各種運動目標捕獲與檢測過程中。
文檔編號H04N5/14GK102572220SQ201210048378
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月28日 優先權日2012年2月28日
發明者劉綏華, 孫華波, 張忠劍, 晏磊, 王濤, 王釋民, 羅博仁, 趙海盟, 趙紅穎, 郭玉龍, 高鵬騏 申請人:北京大學