复眼数据无线回传通信模块构建文献综述
2020-04-24 09:42:03
随着光信息采集要求的不断发展,单孔径光学系统场景采集越来越无法满足高效化、三维化的工程需求;模仿生物复眼,以多孔径光学系统代替单孔径光学系统,成为一个新的工程研发和应用方向。
昆虫复眼具有大视场、微体积等特点,基于仿生学原理,人们不断创新人造复眼成像系统,以期模仿昆虫复眼体积小、质量轻、视场大等特点。
20世纪90年代以来,各国学者对人造复眼(Artificial Compound Eye)展开了众多研发[1]。在日本,Tanida[2]等学者根据蜻蜓复眼结构提出了一种小型复眼成像系统TOMBO(Thin Observation Module byBound Optics);设计了平面型的TOMBO,并安装在探测器上,通过其大视场特点来探测更大范围内的光信息。
在德国,Duparre J[3-4]等学者提出并制造了一种同位复眼成像系统AACEO(Artificial AppositionCompound Eye Objective);起初的AACEO为平面型复眼结构,后来通过一系列改进,创新为曲面型复眼结构。
2009年前后,中国科学院系统开始对于人造复眼投入了较大的研发力量,中国科技大学、光电研究所和长春光学精密机械与物理研究从多方面展开工作,发表了一大批文献,获得了规模化的引用,形成了有影响力的科研团队和学术带头人;加上西安交通大学和香港大学的人造复眼研发团队,中国在人造复眼设计、制造及光学特性研发方向,成为除日、德以外的重要科研力量。
通过SCI数据库进行复眼文献检索,中国、日本、德国和美国对于文献贡献的百分比分别为39.74%,15.38%,13.25%,11.11%,总体上占79.48%,是人造复眼研究的主要国家。人造复眼研究学术文献贡献规模最大的是大学和科研院所,其规模达93.6%,而商业机构以及政府部门贡献比较少,其规模仅有6.4%;说明人造复眼至今仍处于研发阶段,尚未规模化地应用于工程领域。“人造复眼”文献所属学科规模分布,涉及光学结构设计、成像系统设计和应用方案构建等,已经不再是单一独立的科学领域,而是一个综合交叉的新兴研究领域。
复眼系统已开始运用于多个具体工程领域,例如,医疗手术内窥镜[5],人造复眼照相机[6],机器人运动导航[7],复杂场景构建[8],等等。不论民用夜视监控跟踪,还是军事方面的侦察探测系统、跟踪系统、精确制导武器,复眼系统都有其重要应用。
而其中利用微型飞行器搭载复眼相机从而实现复杂场景的快速构建研究已逐渐成为机器视觉领域的研究热点,在民用、军事、国防方面都具有非常广阔的应用时景。为了利用复眼技术快速构建复杂视场三维动态场景,由微型飞行器搭载的复眼摄像头拍摄的场景图片必须快速利用无线通信技术传输至终端,存入数据库进行相应的处理以达到快速构建复杂场景的目的。
2001年 , Joel M. Grasmeyer 研 究 出 了 “黑 寡 妇( BlackWidow) ”的图像无线传输系统[9该系统采用调频体制, 发射频率为 2.4 GHz, 视频发射器重1.4 g,有效传输距离 1.5 km, 拍摄并传输回来的黑白图像清晰、可辨。该系统下一目标是采用数字视频信号传输方式, 实现 3~4 km 的传输距离。2003年, 美国南加利福尼亚大学研制的 AVATAR( Autonomous VehicleAerial Tracking And Retrieval) 上携有图像无线传输系统, 采用 Eye- Q 公司的微波视频传输单元将模拟视频图像传送回地面, 然后进行数字化处理。同年加州大学伯克利分校研制的BEAR ( Berkeley Aerobot) 装载了 2 台Pentium 233 MHz PC104 嵌入式计算机, 其中一台用于图像传输与处理, 通过串口调整水平、垂直两个方向的视角, 视频采集频率 30 Hz, 采用 2.4 GHz 无线图像链路进行图像传输[10]。美国桑德斯公司的“Micro Star”微型飞行器也配备有图像无线传输系统, 其中所携带的侦察用微型摄像机重4 g, 每秒可拍摄 30 帧清晰的地面画面, 昼夜拍摄。配有重 6 g 的哈里斯公司较强功能的 PRISM 无线电通信链路信息传送系统, 能够及时将侦察到的图像信息传送回地面控制站, 其有效传输范围达到了 5 km。2006年3月, Timothy Kinkaid 在其博士论文中讨论了一种新型的图像无线传输系统[11], 发射频率 2.4 GHz, 功耗 50 mW, 天线采用全向探测。该系统借助地面站软件解决了微型飞行器飞行过程不稳定而导致所拍摄图像信号不稳定的难题。国外对微型无人机图像传输系统的研究开始于1992年,迄今为止己经有20多年的历史。在此基础上积累了雄厚的技术底蕴,已经研究了性能优越的无人机图传系统,并得到了广泛的应用,相比于国外,国内对于微型无人机图传系统的研究起步晚,研究进度的技术水平略低于外国。但是经过国内开发研究人员的不懈努力,国内的无人机图传系统有了突飞猛进的发展,当前国内的无人机图传系统的传输距离、传输质量均已达到世界的领先水平。目前国内外微型飞行器上的无线通讯通常分为WIFI传输、模拟图传、数字图传或研发的传输硬件。2010年发表基于Zigbee技术的无人机微型无线图像传输设备文章 [12]2016年将i.MX6Q的VPU模块集成到FFmpeg中,并通过裁剪、编译、配置,最终得到一个可在开发板上运行的高效流媒体服务器,实现了微型无人机图像传输系统图像采集、图像编码等基本功能[13]国内大疆研究的无人机已可传1080p的视频,视频延迟在0.2-0.3秒内,在1公里内可实现稳定传输。目前国内大多民用无人机都采用WIFI技术传输数据。
利用无线通信技术将无人机搭载的复眼所拍摄的图像数据快速准确的传送到终端数据库进行处理,从而实现复杂场景快速构建,在军事、国防方面有很广阔的发展前景。