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用于三维物体检测的人工复眼系统的开发
复眼头枕具有较大的视野范围，高灵敏度和紧凑的结构，表明它可用于3D对象检测。在这项工作中，开发了一种用于3D对象检测的人造复眼系统，该系统由小透镜层和类似棱镜的光束转向透镜组成。为此系统开发了一种校准方法，利用该方法可以在多个位置使用有效的校准图案来精确获得入射光线和相关图像点之间的对应关系。从理论上讲，两个位置的校准图案足以进行系统校准，尽管更多的位置也会提高其准确性。计算3D位置的点对象来评估系统，这是通过在最小二乘意义上的多个入射光线的交点获得的。实验结果表明，该系统可以检测到角度精度优于1 mrad的物体，证明了所提出的复眼系统的可行性。借助2D扫描设备，可以扩展该系统，以在3D空间中进行常规物体检测。 copy;2014美国眼镜学会
1.简介
近年来，复眼因其视野宽，运动敏锐度高，体积小而受到广泛研究。一般来说，研究了两种人造复眼系统，即2D平面结构和3D弯曲结构[1]。 在2D复眼系统中[2-4]，每个小透镜在一个图像传感器的子集上形成sanimage。 结果，场景的多个子图像被同时捕获。 然而，由于平坦的结构，所以2D设备的视野有限。 演示了DragonflEye [5,6]系统，其中纤维束作为中继光学组件。 但是，光纤的使用涉及复杂的组装。 使用棱镜的3D复眼系统开发了具有超高精度加工工具的阵列[1,7,8]，并进一步集成到了紧凑型复眼相机中[9]。使用自由形式的透镜阵列和物镜阵列[10]可以进一步提高图像质量。 [11,12]报道了一种创新的3D复眼，它具有曲率兼容的自对准制造方法。 然而，仅3D微透镜阵列不能适当地在平面图像传感器上形成图像。 因此，光束转向需要中继光学设计，例如具有光纤束[5,6]或三层透镜阵列[10]的设计。 Song [13]将半球形的复合眼与弹性体复合光学元件和可变形阵列软硅光电探测器集成在一起。该系统实现了弯曲基板上的微透镜与光电探测器之间的完美光学对准。 但是，分辨率仅限于微透镜的数量。在大多数这些研究中，大视野成像的优点已得到广泛证明。在本文中，我们将重点介绍复眼系统在3D目标检测中的潜在应用。已开发出一种人造复眼系统，该系统由小透镜阵列层和大型弯月形透镜组成，用于3D目标检测的光束转向[14]。为此系统专门开发了一种多位置校准方法。入射光线与相关图像点之间的对应关系可以通过相机校准在多个位置精确建立。提出的校准方法是在统一的世界坐标系中执行的，该方法绕过每个小透镜的局部坐标系与全局世界坐标系之间的复杂转换。结果，该方法特别适合于具有成百上千个小透镜的多孔径系统。此外，该系统适用于使用2D激光扫描设备进行一般物体检测。
本文的结构如下。 第2节介绍了系统的设计。 第3节介绍了使用多个小透镜检测3D对象的原理以及系统的校准。 然后，实验结果显示在第4节中，第5节总结了论文。
2.系统设计
系统设计如图1和表1所示。 该系统由一层169个平凸小透镜，一个用于光束控制的大弯月形透镜和一个24.6times;24.6 mm的大图像传感器组成。 小透镜的直径为6mm，曲率半径为25.86mm。 为了简化设计，所有微透镜均采用相同的参数来优化光学设计。
复眼系统是专门为3D对象检测应用开发的。 为了达到这个目的，仔细设计小透镜的分布以及重叠区域。 每个小透镜覆盖约20度的小视野。 小透镜间的角度约为7度。 通过小透镜的这些布置，设计的复眼可以同时检测至少七个小透镜（一个中央小透镜及其周围的六个小透镜）的目标，这使得该复眼系统适用于3D对象检测。 根据每个小透镜的视场，距复眼系统的最小工作距离估计为40毫米。 小透镜几乎均匀地分布在球形基板上，每个小透镜都设计为在图像传感器的整个区域上形成图像。 从而充分利用了整个图像传感器。
小透镜以六边形结构分布在基板上，即每个透镜具有六个相邻的小透镜，如图1（b）所示。 一个小透镜及其六个相邻的小透镜被定义为一个簇，它是3D对象检测的基本单位。 本文将每个小透镜与大弯月形透镜一起定义为通道。
为了使光束聚焦在图像传感器的所需区域上，而不会在不同的小透镜之间产生串扰，将大的弯月形透镜设计为光中继装置[8]。 由于每个小透镜的视场非常小，因此大弯月形透镜的小片可提供类似棱镜的特性，以实现精确的光束转向。 使用图2中的ZEMAX等软件程序验证了光学设计。
带和不带弯月形透镜的光学设计如图3和表2所示。弯月形透镜显着提高了图像质量。 尽管光点像差不适用于成像，但对于物体检测应用来说已经足够了。 这是因为在对象检测应用中，需要光斑的中心而不是清晰的焦点图像，这可以通过重心（COG）[15]方法以非常高的精度获得。
在液晶显示屏上显示8times;8的圆形光斑阵列作为主动校准目标，以进行成像测试。 每个小透镜的视场很小（约20度）。 因此，目标被投影在屏幕的不同部分，以使不同的小透镜能够正确捕获图像。
由小透镜1、2、3、4、28、30、33、78、80、82和85捕获的校准图案的图像如图4所示。LCD的像素大小为0.48times;0.48 mm。 圆形控制点的直径为10个像素，间距为40个像素。请注意，从（b）到（i）的图像比例变化主要是由目标与复眼系统之间的距离不同引起的。 显然，尽管图像质量从中央小透镜到最外面的小透镜都不同，但可以轻松提取出图像点作为校准控制点。 另外，由于每个小透镜的视野相对较小，因此图像中主要存在透视畸变，这意味着径向畸变和切向畸变相对较小。
3.目标检测原理与系统标定
该系统按照多次入射光线相交的原理工作。根据几何光学，图像上的一个点与入射光线L有关，如图5所示。为了计算光点的3D位置，每个光点的FOV 小透镜和复眼系统的小透镜间角度设计为，使得3D空间中的点可以同时通过多个小透镜在图像传感器上形成多个图像点。 图5说明了系统如何通过簇85形成一个点Pin3D空间的七个图像点，该簇由小透镜85和其相邻的小透镜70、71、84、86、99和100中的六个组成。每个图像点都与入射光线有关。 从不同的方向。 通过相交这些多条光线，系统可以精确地检测到光点的3D位置。
因此，系统校准对于物体检测至关重要。 该校准与传统的相机校准技术[16-19]完全不同，传统的相机校准技术建立了3D世界坐标系中的点P（xw; yw; zw）与图像点I（u; v）之间的关系。 关键是要建立入射光线L和像点I之间的关系。
通过连接校准目标点和小透镜中心[4]，开发了一种简单的算法来计算入射光线。 但是，由于制造和组装错误，很难准确找到小透镜的中心，并且会引入较大的检测误差。 另外，需要光轴以及每个小透镜的局部坐标系与全球世界坐标系之间非常复杂的转换，这将增加校准过程的复杂性。 为了解决这个问题，专门针对复眼系统开发了一种通过多位置相机校准的系统校准方法。 首先，对每个小透镜在多个位置执行传统的相机校准程序。 然后，通过线性拟合在这些位置校准的两个点来计算入射光线。 最后，建立检测到的图像点和入射光线之间的关系。
单镜头校准的过程与相机校准相同。 如图2所示，每个小透镜的视场很小（小于20度）。 因此，具有一阶径向畸变的两步相机校准方法[16]用于单透镜校准。 设P（xw; yw; zw）为世界帧中的一个点，I（u; v）为与来自P的入射光线相关的像点。 （1）[16]：
其中f是有效焦距，k1是一阶径向透镜畸变参数，dx和dy是分别在X和Y维度上的像素传感器元素的大小，而Cx; Cy是主要点。 旋转矩阵和平移矢量定义为
由于倒车相机模型的闭式表达式不易推导，因此蔡（Csai）算法[20]的C实现中的数值解决方案用于将图像坐标中的点I与世界坐标中的点P关联起来。
所提出的复眼系统校准方法基于像点与入射光线有关的假设。 特别是，位于同一入射光线L上的点（例如P，Q，Rin，图5）将在图像中的完全相同的位置上形成一个图像点I。 如果我们设法找到与同一图像点I相关的这些点，则可以通过线性拟合这些点轻松获得入射光线L，可以很容易地将图像点I与L相关。
该方法概述如下，并在图6中进行了说明。步骤1.对于每个小透镜，在距复眼两个不同的位置执行上述相机校准过程。
在此步骤中，将LCD屏幕放在复眼系统前面的精密平移台上，并调整为垂直于平移台。 屏幕上定义了一个世界坐标系，其X–Y轴与LCD平面平行，Z轴与平移台一起[见图6（a）]。 在LCD屏幕上生成了一系列圆形光斑作为校准图案，并表示为P1（xi; y i; 0）。 相关的图像点表示为I（ui; v i），可以通过COG方法获得。 为169个小透镜建立了P1和I之间的对应关系。
然后将LCD移到另一个位置。 当LCD屏幕经过纯Z轴平移时，平移后的圆形斑点的3D坐标为P2（xi; y i;Delta;z）（在此工作中，Delta;z = 40 mm）。 执行相同的相机校准程序，并为169个小透镜中的每个获得另一组相机校准参数。
步骤2。第二步是建立入射光线与相关图像点之间的对应关系。
假设I（u； v）是通过COG方法获得的图像点。 3D空间中的相关点使用步骤1中的相机校准参数计算两个位置的P1（x1; y1; 0）和P2（x2; y2;Delta;z）。通过等式P1和P2线性拟合，可以获得入射光线L。 （3）：
最后，光线L被映射到像点I（u； v）。 通过对（P1; P2;hellip;; Pk）进行线性拟合可以提高单小透镜在更大位置上的摄像机标定精度，提高光线L的精度。
在系统校准之后，建立入射光线与相关图像点之间的关系，并且系统已准备就绪，可以检测3D空间中的物体。 通过多个入射光线的相交来获取对象的3D世界坐标。 需要两个小透镜，并且可以采用更多的小透镜以提高精度。 对于m个入射光线L1; L2hellip;; Lm，交点采用最小二乘法计算。
尽管通过消除每个小透镜的局部坐标系与全局世界坐标系之间的复杂转换，该校准方法既简单又有效，但它在很大程度上取决于设置的精确对齐。 为了实现高精度，如图7所示，通过使用分束器将LCD调整为垂直于平移台。首先，激光束L1通过针孔O投射到LCD的P处。 调整分束器的位置和方向，使点P相对于LCD静止不动，然后L1平行于平移台。 其次，调整LCD直到反射光束L2通过针孔O。LCD现在垂直于平移台。
4.结果与讨论
建立了一个用于系统校准和物体检测的测试平台（图5）。 在复眼系统之前，将大型LCD放置在精密平移台上。 LCD和复合眼之间的初始距离约为400mm，两个LCD位置之间的间隔为40mm。 在这两个位置分别执行相机校准过程。 然后，入射光线被映射到相关的图像点。 产生一组任意产生的光斑作为要检测的测试对象。 通过计算这些斑点的3D位置来评估提出的校准算法。
- 通过3D对象检测对建议的校准方法进行评估
校准复眼系统后，在整个LCD上都会显示一组光点，以测试物体检测算法，其覆盖范围约为100times;70度。 LCD的像素大小为0.48times;0.48 mm。
LCD上该点的地面真实值为P（Xw; Yw; Zw），用复眼系统检测到的坐标为P09X; Y; Z。 当系统建立入射光线和像点之间的关系时，系统将通过等式中定义的角度误差进行评估。 （4）：
⃗r是向量OP！ 在复眼中心和目标之间。 由于复眼和目标之间的距离远大于微透镜之间的距离，因此目标P和复眼中心之间的向量O（X0; Y0; Z0）而不是每个微透镜的中心， 如图8所示。
图9显示了误差分布，其中光点显示在LCD的不同位置。 结果表明，可以以优于1 mrad的角度精度检测物体。 在方位角和仰角小的情况下，误差相对较小，这表明系统使用中央小透镜比外部小透镜可以更准确地检测物体。
相比之下，利用微透镜中心的校准方法的检测精度仅为0.02 rad [14]，这比多位置校准方法的情况差很多。 结果表明，所开发的校准方法可以消除微透镜的中心，从而显着提高检测精度，这将导致由于制造和组装错误而引起的大误差。
- 不同数目的小透镜的物体检测精度分析
还用不同数量的小透镜测试了检测准确性。 通过分别使用2、3hellip;7个小透镜来计算3D物体位置，结果如图10所示。结果表明，随着更多的小透镜用于3D物体位置检索，检测精度得到了提高，这表明 在3D对象检测应用中，复眼系统具有优于传统双目视觉系统的潜在优势。
- 一般物体检测的应用
如第3节所述，复眼每次都可以检测到一个点对象。 为了检测一般物体，开发了具有八边形反射镜的家用二维激光扫描装置[见图11（a）]以进行物体扫描。
白色雕塑由激光扫描仪扫描。 激光束投射到雕塑上，以便用复眼系统进行3D检测。 最终结果是一个点云，可以将其渲染为3D可视化的网格。图12是雕塑的三角形网格表示，其点云约为10,000个点。
5。结论
在这项工作中，构造了具有平凸微透镜层和大弯月面束转向的复眼系统，用于3D对象检测。小透镜分布在具有六边形结构的球形基底上。通过将多个小透镜作为一个簇一起工作，该系统能够精确地检测3D空间中的物体。为了消除小透镜中心引入的误差，专门为此系统开发了一种多位置校准方法。通过在LCD屏幕上显示有效的校准图案，系统可以精确地建立入射光线和图像点之间的关系。从理论上讲，只需要在LCD屏幕的两个位置上检索入射光线的方程式就足够了，尽管更多的校准图案位置可以提高校准结果的准确性。实验结果表明，该系统可以检测到精度超过1 mrad的物体，证明了该系统用于3D检测的可行性。该误差主要是由相对较大的光斑像差和相邻微透镜之间的基线较小引起的。在将来的工作中，可以通过用对数轴锥代替微透镜来进一步改善像差。在未来的工作中，通过使用两个复眼系统在微透镜之间获得等效的大基线，也可以提高检测精度。通过消除镜片中心的使用以及每个小透镜的局部坐标系与全球世界坐标系之间的非常复杂的转
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