本專利涉及一種可見光及近紅外的仿生視覺成像技術，屬于仿生視覺成像技術應用領域。
背景技術：
：仿生視覺技術是近年來發展較為迅速的一個研究領域，它實際上就是采用先進的光學元件設計能實現自適應調節的光學成像裝置去模擬人類視覺成像系統，其中較為關鍵的技術是利用圖像傳感器實現類似視網膜感光成像的功能以及利用變焦鏡頭實現類似于晶狀體焦距調節的功能。目前，國內外許多學者針對這兩個方面進行了許多研究，這其中包括設計單通道單波段光學系統并利用高分辨率CCD或CMOS對目標物體成像以及使用基于圖像處理的被動式自動調焦算法控制變焦鏡頭進行焦距調節。2009年，ChristianSiagian等基于仿生視覺設計了一種機器人定位系統；2010年，毛曉波等根據人類視覺系統的特點，構建了一種廣域監視與局部精確跟蹤相結合的仿生視覺系統，并利用攝像機圖像采集單元實現所需功能；2010年，山峰等介紹了一種單目仿生眼系統，并驗證了系統的響應速度；2013年，王魏等提出了一種多光譜成像系統；2014年，張雄等提出了一種仿生復眼系統；2015年，李偉龍等提出了一種基于仿生視覺的無人機自主定位路標獲取方法；2016年，基于人眼視覺特性的圖像處理算法進行了研究。雖然以上研究都取得了一定成果，但是作為仿生視覺技術而言，這些系統在獲取圖像時的使用場景受到了一定的限制。即成像裝置都是在白天光照較理想的情況下進行工作，一旦在夜晚沒有光照的環境下就不能繼續工作，無法對目標物體進行觀測。因此，需要一種能有效地在任何使用場景都能夠獲取圖像并對目標物體成像以及使用基于圖像處理的被動式自動調焦算法控制變焦鏡頭進行焦距調節的技術。技術實現要素：本發明的目的在于提供一種基于可見光及近紅外的仿生視覺成像技術,包括可見光及近紅外同口徑雙波段成像系統，該系統包括：液體變焦透鏡，作為變焦執行機構；棱鏡，作為分光元件；該系統內置近紅外光源，使系統的近紅外成像通道不受外部光照條件的影響，從而使整個系統在白天及夜晚都能對目標物體進行觀測；然后，根據仿生視覺成像系統視場內目標物體位置的不斷變化，利用自動調焦算法實現成像系統焦距的快速調節；最后，通過實驗驗證可見光及近紅外仿生視覺成像系統的實際成像效果，得出量化評價指標，同時，該技術中所述自動調焦算法能在1050ms內完成一次自動調焦過程。所述可見光及近紅外同口徑雙波段成像系統中，兩波段光束由同一光路采集，先經過液體變焦鏡頭，再由棱鏡分光后入射到各自的探測器中。所述同口徑雙波段成像系統包括液體變焦鏡頭和棱鏡，分別作為變焦執行機構及分光元件，同時該系統內置近紅外光源，整個系統集成封裝，在體積上相比于現階段多光譜成像系統有了很大的改善。所述可見光及近紅外同口徑雙波段成像系統，兩波段光束由同一光路采集，先經過液體變焦鏡頭，再由棱鏡分光后入射到各自的探測器中，從而使兩個CCD可以獲得視角完全一致的圖像。所述自動調焦算法由清晰度評價函數及自適應變步長搜索策略構成；當可見光和近紅外成像裝置對目標物體初步成像之后，根據目標物體的位移變化實時調整系統的焦距，使成像始終保持在最佳清晰度。在自動調焦過程中，圖像清晰度是判斷是否聚焦準確的重要指標，一幅清晰度較好的圖像，應該具有最大評價函數值。所述清晰度評價函數，以Roberts算子建立圖像清晰度評價函數，假設圖像某點處的灰度值為,則與其周圍八領域的關系可表示為：評價函數理論計算公式為：在自動調焦過程中，極值搜索策略，也是影響自動調焦算法性能的重要因素；所述搜索策略采用自適應變步長極值搜索策略，收斂速度快、準確率高；傳統爬山搜索策略的主要缺陷是步長確定主觀性很強，如步長過小，采集處理圖像花費時間較多，調焦實時性差，且易受外界噪聲、環境變化等影響，步長選的過大，雖然速度會有所提升，但調焦精度較低。所述自適應變步長極值搜索策略，結合液體透鏡響應速度快、變焦平滑等特點實現整個搜索過程，具體實現步驟如下：步驟(1):系統起始位置位于遠焦點，在液體變焦透鏡驅動電流量程內往電流增大方向以大步長進行搜索，并記錄相應評價函數值。步驟(2):根據步驟(1)進行大步長搜索過程，如采樣點的評價函數值連續出現三次下降，以大步長輸出電流相反方向以中步長進行搜索，并實時計算相應評價函數值。步驟(3):根據步驟(2)進行中步長搜索過程，如果采樣點評價函數值出現兩次下降，則以中步長輸出電流相反方向以小步長進行搜索，并實時計算采樣點評價函數值。步驟(4):如焦點附近的小步長搜索，出現一次下降就認為評價值下降前一采樣點為焦平面位置，同時整個調焦過程結束。所述自適應變步長極值搜索策略，在遠離焦平面且容易出現局部極值的區域采用大步長搜索，而液體變焦透鏡驅動電流單調輸出，會使系統產生離焦-正焦-離焦成像效果，從而有效避免了由于局部極值引起的焦平面誤判。本發明提供一種能有效地在任何使用場景都能夠獲取圖像并對目標物體成像以及使用基于圖像處理的被動式自動調焦算法控制變焦鏡頭進行焦距調節的技術。應當理解，前述大體的描述和后續詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應當用作對本發明所要求保護內容的限制。附圖說明參考隨附的附圖，本發明更多的目的、功能和優點將通過本發明實施方式的如下描述得以闡明，其中：圖1為本發明中可見光及近紅外簡易光路圖；圖2為本發明中系統實物圖；圖3為本發明中成像系統可見光通道顏色轉換效率映射表；圖4為本發明中成像系統近紅外通道顏色轉換效率映射表；圖5為本發明中自適應性變步長搜索策略基本流程圖；圖6為本發明中系統成像圖；圖7為本發明中清晰度評價函數曲線圖。具體實施方式通過參考示范性實施例，本發明的目的和功能以及用于實現這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發明并不受限于以下所公開的示范性實施例；可以通過不同形式來對其加以實現。說明書的實質僅僅是幫助相關領域技術人員綜合理解本發明的具體細節。在下文中，將參考附圖描述本發明的實施例。在附圖中，相同的附圖標記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。本發明提供一種基于可見光及近紅外的仿生視覺成像技術,包括可見光及近紅外同口徑雙波段成像系統，該系統包括：液體變焦透鏡，作為變焦執行機構；棱鏡，作為分光元件；該系統內置近紅外光源，使系統的近紅外成像通道不受外部光照條件的影響，從而使整個系統在白天及夜晚都能對目標物體進行觀測；然后，根據仿生視覺成像系統視場內目標物體位置的不斷變化，利用自動調焦算法實現成像系統焦距的快速調節；最后，通過實驗驗證可見光及近紅外仿生視覺成像系統的實際成像效果，得出量化評價指標，所述自動調焦算法能在1050ms內完成一次自動調焦過程。所述可見光及近紅外同口徑雙波段成像系統包括液體變焦鏡頭和棱鏡，分別作為變焦執行機構及分光元件，同時該系統內置近紅外光源，整個系統集成封裝，在體積上相比于現階段多光譜成像系統有了很大的改善，實際系統如圖2所示。所述可見光及近紅外同口徑雙波段成像系統，為保證各波段的視場一致性，兩波段光束由同一光路采集，先經過液體變焦鏡頭，再由棱鏡分光后入射到各自的探測器中，從而使兩個CCD可以獲得視角完全一致的圖像，如圖1所示；其中，可見光和近紅外通道的顏色轉換效率映射表(LUT)分別如圖3、4所示。所述可見光及近紅外同口徑雙波段成像系統，所述自動調焦算法由清晰度評價函數及自適應變步長搜索策略構成；當可見光和近紅外成像裝置對目標物體初步成像之后，根據目標物體的位移變化實時調整系統的焦距，使成像始終保持在最佳清晰度。在自動調焦過程中，圖像清晰度是判斷是否聚焦準確的重要指標，一幅清晰度較好的圖像，應該具有最大評價函數值。所述清晰度評價函數，以Roberts算子建立圖像清晰度評價函數，假設圖像某點處的灰度值為,則與其周圍八領域的關系可表示為：評價函數理論計算公式為：在自動調焦過程中，極值搜索策略也是影響自動調焦算法性能的重要因素；所述搜索策略采用自適應變步長極值搜索策略，收斂速度快、準確率高；所述自適應變步長極值搜索策略，結合液體透鏡響應速度快、變焦平滑等特點實現整個搜索過程，其基本流程如圖5所示，具體實現步驟如下：步驟(1):系統起始位置位于遠焦點，在液體變焦透鏡驅動電流量程內往電流增大方向以大步長進行搜索，并記錄相應評價函數值。步驟(2):根據步驟(1)進行大步長搜索過程，如采樣點的評價函數值連續出現三次下降，以大步長輸出電流相反方向以中步長進行搜索，并實時計算相應評價函數值。步驟(3):根據步驟(2)進行中步長搜索過程，如果采樣點評價函數值出現兩次下降，則以中步長輸出電流相反方向以小步長進行搜索，并實時計算采樣點評價函數值。步驟(4):如焦點附近的小步長搜索，出現一次下降就認為評價值下降前一采樣點為焦平面位置，同時整個調焦過程結束。所述自適應變步長極值搜索策略，在遠離焦平面且容易出現局部極值的區域采用大步長搜索，而液體變焦透鏡驅動電流單調輸出，會使系統產生離焦-正焦-離焦成像效果，從而有效避免了由于局部極值引起的焦平面誤判。下面介紹通過實驗驗證可見光及近紅外仿生視覺成像系統的實際成像效果，得出量化評價指標，其中所述自動調焦算法能在1050ms內完成一次自動調焦過程。本發明中自動調焦算法驗證所用實驗裝置由一臺PC機，一個液體變焦鏡頭，一個近紅外和可見光多光譜相機，一個定焦鏡頭，一個近紅外光源組成。裝置中的計算機配置IntelCorei7-47903.60GHzCPU，8GB內存，Win7操作系統，具備Matlab8.3及VS2010編譯環境。本發明中仿生視覺同口徑雙通道成像系統的實際成像效果通過步驟(1)進行驗證:首先，在理想光照和低光照的環境下對同一目標進行觀測，實驗中系統初始成像如圖6所示。其中圖6中(a)、(c)為可見光通道在理想光照及低光照下的成像效果，(b)、(d)為近紅外通道在理想光照及低光照下的成像效果。根據圖像可知，可見光和近紅外通道都能在光照較理想的情況下對目標進行觀測，但是在低光照環境下，可見光通道就無法對目標物體進行觀測，然而近紅外通道仍然能對目標物體進行觀測。為進一步說明圖像的成像質量，將圖6所示系統的初始成像圖利用Robert函數、Laplacian函數及Variances函數進行評價值計算，將評價指標進行量化，從而更直觀的對比不同環境下的成像差異，實驗數據如表1所示。由實驗數據可知，可見光圖像在兩種不同環境下，三種函數的評價值分別下降了45％、86％和91％，這說明可見光成像通道受光照條件的影響較大，一旦在夜晚將無法對目標物體進行觀測。反觀，近紅外圖像在兩種環境下的評價值僅分別下降了0.07％、0.13％和0.14％，可知近紅外成像通道受外部環境光照條件的影響較小，因此，它在白天及夜晚都能對目標物體進行觀測。然后，在計算機上先對本發明中清晰度評價函數進行仿真實驗，實驗數據為成像裝置上可見光通道采集的像素為640×480，由模糊-清晰-模糊組成的一組圖片(23張圖像，其中第12幅是焦平面圖像)。Matlab仿真實驗運行生成的評價函數曲線如圖7所示。理想的評價函數應具有無偏性、單峰性、靈敏性等特性；其中，無偏性、單峰性決定算法的正確與否，靈敏性則是實現實時檢測的基本要求。由評價函數曲線可知，評價函數曲線基本滿足單峰性、無偏性及靈敏性，可形成有效的圖像清晰度評價。最后，為驗證自動調焦算法的實時性及準確性，在相同硬件配置，VS2010編譯環境的計算機上進行實驗,在固定視場中對目標物體進行自動調焦實驗，并統計調焦用時及焦平面對應的液體變焦透鏡驅動電流大小，詳細數據如表2所示；表中調焦用時均為固定視場內進行一次自動調焦過程的總用時，包括采集圖像、圖像清晰度計算并確認極值、驅動液體透鏡焦距變化三個進程的時間；從實驗數據可以看出系統可快速、準確的完成自動調焦進程。本發明目的在于提供一種能有效地在任何使用場景都能夠獲取圖像并對目標物體成像以及使用基于圖像處理的被動式自動調焦算法控制變焦鏡頭進行焦距調節并通過實驗證自動調焦算法的實時性及準確性的技術。結合這里披露的本發明的說明和實踐，本發明的其他實施例對于本領域技術人員都是易于想到和理解的。說明和實施例僅被認為是示例性的，本發明的真正范圍和主旨均由權利要求所限定。附：以下為說明書中提到的表1，表2。表1圖像acbdRobert40250388220743761347012012549170Laplacian286168841273316266891410789Tenengrad16621700146972442039803602907表1為本發明中初始圖像評價函數值。表2調焦方法調焦用時/ms驅動電流/mA本文算法105078.56表2為本發明中自動調焦算法實驗數據。當前第1頁1 2 3