專利名稱：一種高扇翅頻昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)仿生技術(shù)領(lǐng)域，涉及對(duì)昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量裝置的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
微小飛行器MAV(Micro-Air Vehicle)由于具有攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、隱蔽性好、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)具有較好的應(yīng)用前景，是近些年來(lái)航空領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。由于昆蟲(chóng)飛行運(yùn)動(dòng)的機(jī)理可以為MAV的研制提供很好的理論依據(jù)，目前對(duì)昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量已經(jīng)成為昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)仿生研究的一個(gè)熱門課題。昆蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量主要包括扇翅角、扭轉(zhuǎn)角、擺動(dòng)角、扇翅頻率、翅面變形和身體姿態(tài)等。目前對(duì)低扇翅頻昆蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量(蜻蜓等)已經(jīng)取得較大進(jìn)展，由于高扇翅頻昆蟲(chóng)(蜜蜂，蒼蠅等)具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)扇翅幅度大、扇翅頻率高等特點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量較為困難，到目前為止對(duì)高扇翅頻昆蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)測(cè)量還不夠完善且其運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量結(jié)果多是基于單翅進(jìn)行。但由于其飛行更為機(jī)動(dòng)靈活對(duì)完善空氣動(dòng)力學(xué)原理具有更重要的意義，是昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)仿生研究的一個(gè)重要內(nèi)容。目前對(duì)高扇翅頻昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量主要是利用非接觸的光學(xué)法利用高速攝像機(jī)拍攝運(yùn)動(dòng)昆蟲(chóng)獲取序列圖像然后再進(jìn)行三維重構(gòu)得到測(cè)量參數(shù)，根據(jù)其三維恢復(fù)方法的不同可以分為以下幾種(1)基于單攝像機(jī)的對(duì)稱法測(cè)量系統(tǒng)1989年Dudley和Ellington用高速攝像機(jī)拍攝了大黃蜂(Bumblebee)的平穩(wěn)飛行過(guò)程，并對(duì)其身體和翅膀的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了初步測(cè)量。系統(tǒng)在昆蟲(chóng)飛行區(qū)的斜上方安裝一臺(tái)高速攝像機(jī)，用紫外光源進(jìn)行誘導(dǎo)，保證昆蟲(chóng)在拍攝區(qū)內(nèi)平穩(wěn)飛行。用高速攝像機(jī)在拍攝區(qū)拍攝自由飛行的圖像序列。在三維恢復(fù)時(shí)采用兩個(gè)翅膀在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中完全對(duì)稱的假設(shè)進(jìn)行三維恢復(fù)，測(cè)量了大黃蜂飛行的扇翅頻率，扇翅幅度，翅膀的扭轉(zhuǎn)變形等參數(shù)。該系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是由于大黃蜂扇翅幅度大，單攝像機(jī)系統(tǒng)存在較大的拍攝盲區(qū)，同時(shí)由于對(duì)稱法利用雙翅的信息只恢復(fù)了單翅運(yùn)動(dòng)參數(shù)，而且昆蟲(chóng)的兩個(gè)翅膀的運(yùn)動(dòng)往往不是嚴(yán)格對(duì)稱其結(jié)果具有不合理性。
(2)基于雙攝像機(jī)的條桿法測(cè)量系統(tǒng)1997年，Willmott和Ellington測(cè)量了懸停飛行的天蛾，其測(cè)量裝置見(jiàn)圖2，在風(fēng)洞的出口處有一個(gè)喂食器來(lái)吸引天蛾。雖然天蛾屬于低扇翅頻昆蟲(chóng)但扇翅幅度較大在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在拍攝盲區(qū)。系統(tǒng)采用兩架高速攝像機(jī)來(lái)拍攝，一架放在天蛾的前方作為主攝像機(jī)拍攝天蛾翅膀的運(yùn)動(dòng)圖像，另一架放在側(cè)方來(lái)確定天蛾的飛行姿態(tài)作為附加信息補(bǔ)償入主圖像，拍攝速度為1000幀/秒。該系統(tǒng)使用條桿法進(jìn)行三維恢復(fù)。條桿法假設(shè)翅膀不存在彎曲變形而在翅膀上劃分許多可以繞縱軸獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的剛性橫向桿，該方法可以得到翅的近似扭轉(zhuǎn)變形但無(wú)法得到翅膀運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的彎曲變形。同時(shí)采用雙攝像機(jī)測(cè)量增加了系統(tǒng)成本，而且存在雙攝像機(jī)的同步拍攝問(wèn)題增加了測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)雜性。
(3)基于結(jié)構(gòu)光原理的梳狀條紋法測(cè)量系統(tǒng)2000年和2001年，清華大學(xué)曾理江教授和宋德強(qiáng)博士利用梳狀條紋法分別對(duì)固定飛行的大黃蜂和自由飛行的蜻蜓進(jìn)行了測(cè)量。該系統(tǒng)利用高速攝像機(jī)拍攝投射到昆蟲(chóng)翅膀表面上的梳狀條紋的形變，通過(guò)曲線擬合、坐標(biāo)變換和插值算法來(lái)恢復(fù)出翅的三維信息。利用梳狀條紋法可以測(cè)量到翅的弓形形變和扭轉(zhuǎn)變形，是目前在昆蟲(chóng)翅的測(cè)量方面精度最好的。但實(shí)際測(cè)量時(shí)要標(biāo)定多個(gè)光平面且存在光平面的識(shí)別問(wèn)題，同時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)的昆蟲(chóng)還存在光條的投射盲區(qū)問(wèn)題，限制了該方法的使用。該系統(tǒng)對(duì)于低扇翅幅度和扇翅頻率的昆蟲(chóng)(蜻蜓)可以進(jìn)行高精度測(cè)量，但對(duì)于扇翅幅度較大的昆蟲(chóng)(大黃蜂)存在投射盲區(qū)不能得到雙翅的運(yùn)動(dòng)信息。
總之，現(xiàn)有測(cè)量系統(tǒng)的不足之處主要是第一、昆蟲(chóng)測(cè)量所采用的三維重構(gòu)方法都是基于各種假設(shè)條件的幾何分析方法，而這種假設(shè)條件都有一定的局限性必然會(huì)降低其測(cè)量精度，梳狀條紋法雖然測(cè)量精度較高。但存在光平面的識(shí)別和投射盲區(qū)問(wèn)題，同時(shí)單攝像機(jī)拍攝翅膀運(yùn)動(dòng)存在拍攝盲區(qū)問(wèn)題，一般只能得到單側(cè)翅膀的測(cè)量結(jié)果。
第二、多攝像機(jī)結(jié)構(gòu)雖然可以解決觀測(cè)盲區(qū)問(wèn)題，但是系統(tǒng)成本較高，且還存在多攝像機(jī)之間的同步驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)目前昆蟲(chóng)測(cè)量裝置存在的不足，利用立體視覺(jué)測(cè)量原理，提出一種基于單攝像機(jī)的虛擬四目傳感器測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高扇翅頻昆蟲(chóng)雙側(cè)翅膀運(yùn)動(dòng)參數(shù)高精度、低成本的測(cè)量。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種高扇翅頻昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量裝置，包括一個(gè)平臺(tái)5；一個(gè)固定在平臺(tái)上的攝像支架6和安裝在該支架上的高速攝像機(jī)2，高速攝像機(jī)2的鏡頭垂直朝向昆蟲(chóng)飛行區(qū)；固定在平臺(tái)上、位于昆蟲(chóng)飛行區(qū)下方的背景燈4；一個(gè)接收處理高速攝像機(jī)輸出數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)7；其特征在于(1)在高速攝像機(jī)2的正下方有一個(gè)固定在攝像支架6上的組合四面鏡1，組合四面鏡有7個(gè)平面，其由兩個(gè)端面一個(gè)底面以及4個(gè)反射平面連接組成，四面鏡的四個(gè)反射平面兩兩對(duì)稱，左右鄰接的兩對(duì)反射平面兩兩相交形成向上凸起的85°～100°夾角，前后鄰接的兩對(duì)反射平面兩兩相交形成向下凹進(jìn)的100°～120°夾角，組合四面鏡1的端面與組合四面鏡1前后鄰接的兩對(duì)反射平面的交線形成的平面平行，兩個(gè)端面中心有螺紋通孔，四個(gè)反射平面與底面的夾角相同，四個(gè)反射平面相交構(gòu)成的四條交線相交于組合四面鏡1的中心，該中心位于高速攝像機(jī)2鏡頭的中心延長(zhǎng)線上，待測(cè)昆蟲(chóng)飛行區(qū)位于組合四面鏡中心線的正下方；(2)在組合四面鏡1的四周各有一個(gè)通過(guò)支架固定的平面外反射鏡3，四個(gè)外反射鏡鏡3以待測(cè)昆蟲(chóng)為中心，對(duì)稱擺放在昆蟲(chóng)外側(cè)，其鏡面的高度高于組合四面鏡1，四個(gè)外反射鏡鏡3分別與組合四面鏡1的四個(gè)反射面對(duì)應(yīng)形成四條反射光路，使昆蟲(chóng)飛行區(qū)的景象通過(guò)四個(gè)外反射鏡3和相應(yīng)的內(nèi)反射鏡的反射面所形成的四條反射光路，同時(shí)攝入高速攝像機(jī)2的鏡頭。
(3)有四個(gè)背景燈4，每一條反射光路配備一個(gè)背景燈4。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明以立體視覺(jué)測(cè)量原理為基礎(chǔ)，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)昆蟲(chóng)飛行狀態(tài)下蜜蜂雙側(cè)翅膀運(yùn)動(dòng)參數(shù)的同步測(cè)量。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要有(1)利用分光結(jié)構(gòu)，只用一臺(tái)高速攝像機(jī)就實(shí)現(xiàn)了四個(gè)傳感器的測(cè)量功能，既大大降低了系統(tǒng)成本，又有效地解決了高扇翅頻昆蟲(chóng)雙側(cè)翅膀運(yùn)動(dòng)測(cè)量中的觀測(cè)盲區(qū)和遮擋問(wèn)題。
(2)利用一臺(tái)高速攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)多角度同步拍攝，避免了多攝像機(jī)的同步驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，大大降低了實(shí)驗(yàn)難度。


圖1是現(xiàn)有的單攝像機(jī)測(cè)量裝置示意圖。
圖2是采用條桿法天蛾測(cè)量裝置示意圖。
圖3是本發(fā)明采用的立體視覺(jué)測(cè)量原理及示意圖。
圖4是本發(fā)明采用的單攝像機(jī)虛擬四目視覺(jué)測(cè)量模型的示意圖。
圖5是本發(fā)明虛擬四目測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本發(fā)明中攝像支架6一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。其中左邊是主視圖，右邊是側(cè)視圖。
圖7是組合四面鏡1一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。其中左邊是主視圖，右邊是側(cè)視圖。
圖8是本發(fā)明中外反射鏡鏡3一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。其中左邊是主視圖，右邊是側(cè)視圖。
圖9是使用本發(fā)明裝置拍攝的蜜蜂運(yùn)動(dòng)圖像。
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。首先，簡(jiǎn)要說(shuō)明本發(fā)明的測(cè)量原理。立體視覺(jué)就是從兩個(gè)不同位置觀察同一物體并利用光學(xué)三角法測(cè)量被測(cè)物的空間距離。如圖3所示，對(duì)于空間物體表面上任意一點(diǎn)P其在攝像機(jī)C1對(duì)應(yīng)的像平面I1上所成的圖像點(diǎn)用P1表示，P點(diǎn)位于攝像機(jī)光心和P1的連線上無(wú)法通過(guò)像點(diǎn)P1恢復(fù)P點(diǎn)的三維位置，P點(diǎn)同時(shí)亦位于攝像機(jī)C2對(duì)應(yīng)的像平面I2上圖像點(diǎn)P2和其光心的連線上，因此通過(guò)兩個(gè)攝像機(jī)就可以唯一確定空間點(diǎn)P的三維位置。
本發(fā)明采用的單攝像機(jī)虛擬四目視覺(jué)測(cè)量模型的示意圖見(jiàn)圖4。設(shè)四個(gè)虛擬攝像機(jī)分別用Ci表示，每個(gè)攝像機(jī)的坐標(biāo)系用OiXiYiZi表示i＝1，2...4，，世界坐標(biāo)系用OwXwYwZw表示，每個(gè)攝像機(jī)相對(duì)于世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣分別用Ri，ti表示，對(duì)于任意點(diǎn)P它在世界坐標(biāo)系、任一攝像機(jī)坐標(biāo)系下的非齊次做標(biāo)分別為xw，，xci，xci＝Rixw+ti；兩個(gè)攝像機(jī)之間的幾何關(guān)系可用Rij和tij表示Rij=RiRj-1;tij=ti-Rj-1tj,]]>因此已知每一個(gè)攝像機(jī)和世界坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以得到任兩個(gè)攝像機(jī)之間的結(jié)構(gòu)參數(shù)。設(shè)每個(gè)攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)矩陣為ai，則任兩個(gè)攝像機(jī)的圖像點(diǎn)和世界坐標(biāo)系的關(guān)系可分別表示為uivi1=ai(Rixw+ti),ujvj1=aj(Rjxw+tj),]]>任一攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和其相對(duì)于世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣可以通過(guò)系統(tǒng)標(biāo)定得到，因此已知空間點(diǎn)在任意兩個(gè)不同攝像機(jī)下的圖像坐標(biāo)利用上兩式即可唯一確定空間三維位置。
本發(fā)明測(cè)量裝置包括一臺(tái)高速攝像機(jī)以及光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)谋尘肮庠春头止庀到y(tǒng)，分光系統(tǒng)使單攝像機(jī)具有四目功能對(duì)昆蟲(chóng)進(jìn)行多角度拍攝。當(dāng)昆蟲(chóng)處于拍攝區(qū)時(shí)，啟動(dòng)高速攝像機(jī)和背景光源，抓拍昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)圖像并經(jīng)過(guò)圖像采集卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換器件傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)，計(jì)算機(jī)顯示拍攝到的序列圖像，然后對(duì)序列圖像逐幅進(jìn)行處理提取亞象素精度的特征點(diǎn)，并對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行立體匹配實(shí)現(xiàn)三維重構(gòu)，最終計(jì)算出昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)飛行的參數(shù)。
由于只有當(dāng)被測(cè)物位于兩攝像機(jī)形成的交匯視場(chǎng)中立體視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)才有效，因此利用立體視覺(jué)方法測(cè)量首先要解決的就是遮擋問(wèn)題。高扇翅頻昆蟲(chóng)的扇翅速度一般為100～200Hz/秒，整個(gè)扇翅周期分為上扇和下扇兩個(gè)階段，且在上扇和下扇的交替變化過(guò)程中還伴隨著翅膀的扭轉(zhuǎn)。較大的扇翅角以及翅膀繞翅縱軸所作的扭轉(zhuǎn)變形是造成遮擋的主要原因；同時(shí)由于昆蟲(chóng)翅膀具有較好的透射性因此當(dāng)扇翅到某一角度時(shí)昆蟲(chóng)的身體也會(huì)對(duì)翅膀形成遮擋。若攝像機(jī)相對(duì)于昆蟲(chóng)翅膀左右交向擺放，由于扇翅幅度的變化和翅膀相對(duì)于身體的位置變化都會(huì)產(chǎn)生遮擋，不能拍到雙側(cè)翅的信息。若攝像機(jī)相對(duì)于昆蟲(chóng)翅膀前后擺放，可以解決上述遮擋問(wèn)題，但是無(wú)法解決由于翅膀扭轉(zhuǎn)角度的變化對(duì)翅膀產(chǎn)生的遮擋。因此為解決上述遮擋問(wèn)題，設(shè)計(jì)了虛擬四目立體視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行多角度同時(shí)拍攝。
參見(jiàn)圖5，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)安裝在光學(xué)平臺(tái)上。本發(fā)明高扇翅頻昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量裝置，包括一個(gè)平臺(tái)5。一個(gè)固定在平臺(tái)上的攝像支架6和安裝在該支架上的高速攝像機(jī)2，高速攝像機(jī)2的鏡頭垂直朝向昆蟲(chóng)飛行區(qū)。固定在平臺(tái)上、位于昆蟲(chóng)飛行區(qū)下方的背景燈4。一個(gè)接收處理高速攝像機(jī)輸出數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)7。其特征在于(1)在高速攝像機(jī)2的正下方有一個(gè)固定在攝像支架6上的組合四面鏡1，它由4個(gè)反射平面連接組成，四面鏡的四個(gè)反射平面兩兩對(duì)稱，左右鄰接的兩對(duì)反射平面兩兩相交形成向上凸起的85°～100°夾角，以保證左右翅膀之間的相互遮擋最小。前后鄰接的兩對(duì)反射平面兩兩相交形成向下凹進(jìn)的100°～120°夾角，以保證實(shí)際拍攝時(shí)的俯視效果。一般根據(jù)被測(cè)昆蟲(chóng)的扇翅幅度及個(gè)體大小來(lái)最終決定組合四面鏡前后平面之間的夾角以得到最好的觀測(cè)效果，對(duì)于測(cè)量類似蜜蜂這種個(gè)體大小的昆蟲(chóng)前后平面之間的夾角為115°效果最佳。組合四面鏡1固定在攝像支架6上，四個(gè)反射平面與水平面的夾角相同，四個(gè)反射平面相交構(gòu)成的四條交線相交于組合四面鏡1的中心，該中心位于高速攝像機(jī)2鏡頭的中心延長(zhǎng)線上，保證組合四面鏡1的中心和高速攝像機(jī)2的光心位于一條直線上。待測(cè)昆蟲(chóng)飛行區(qū)位于組合四面鏡中心線的正下方。為了便于說(shuō)明，規(guī)定圖5中的左右方向?yàn)楸疚乃傅那昂蠓较颍幌蛏想x開(kāi)圖面的方向?yàn)楸疚乃傅挠曳?，進(jìn)入圖面的方向?yàn)楸疚乃傅淖蠓?。圖7給出組合四面鏡1一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，它是在一個(gè)六面體的上端面加工出四個(gè)鄰接的反射平面，圖7中左邊的主視圖顯示了前后兩個(gè)鄰接反射面，左面的反射面是后反射面，右面的是前反射面，前后反射面的夾角為115°的下凹角。圖7中右邊的側(cè)視圖顯示了本文所指的左右兩個(gè)鄰接反射面，左面的反射面是左反射面，右面的是右反射面，左右反射面的夾角為85°～100°的上凸角。組合四面鏡1采用不銹鋼材質(zhì)加工而成。
參見(jiàn)圖6，所說(shuō)的攝像支架6是一個(gè)門形架，兩個(gè)門框的底端有墊腳，通過(guò)螺釘固定在平臺(tái)5上。高速攝像機(jī)2垂直固定在門梁的中央。門梁的中央有一個(gè)向下伸出的短臂，組合四面鏡1固定在該短臂的下端。所說(shuō)的組合四面鏡1的端面與組合四面鏡1前后鄰接的兩對(duì)反射平面的交線形成的平面平行，在其一個(gè)端面中心有螺紋孔，在攝像支架6中央的短臂中心有孔，固定螺釘穿過(guò)該孔將組合四面鏡1固定在該短臂上。
(2)在組合四面鏡1的四周各有一個(gè)通過(guò)支架固定的平面外反射鏡3，四個(gè)外反射鏡鏡3以待測(cè)昆蟲(chóng)為中心，對(duì)稱擺放在昆蟲(chóng)外側(cè)，其鏡面的高度高于組合四面鏡1以保證俯視觀測(cè)效果。四個(gè)外反射鏡鏡3分別與組合四面鏡1的四個(gè)反射面對(duì)應(yīng)形成四條反射光路，使昆蟲(chóng)飛行區(qū)的景象通過(guò)四個(gè)外反射鏡3和相應(yīng)的內(nèi)反射鏡的反射面所形成的四條反射光路，同時(shí)攝入高速攝像機(jī)2的鏡頭。
參見(jiàn)圖8，所說(shuō)的固定外反射鏡3的支架由縱桿8、橫桿9和支桿夾10組成?？v桿8的下端與一個(gè)磁性墊腳11連接，可以在平臺(tái)5上隨意移動(dòng)，用于調(diào)節(jié)外反射鏡相對(duì)于昆蟲(chóng)的水平距離。支桿夾10上有縱向和橫向兩個(gè)開(kāi)口夾持孔，在每個(gè)夾持孔的開(kāi)口端有緊固螺釘12，縱桿8穿在縱向夾持孔中，橫桿9穿在橫向夾持孔中，在橫桿9的一端有螺紋。所說(shuō)的外反射鏡3是平面鏡，其一個(gè)側(cè)面上有螺紋孔，與橫桿9的螺紋結(jié)合。相鄰兩個(gè)反射鏡3之間的距離為250mm～350mm。所說(shuō)的外反射鏡3由不銹鋼或者鍍膜玻璃制成。橫桿9可以沿縱桿8升降調(diào)節(jié)外反射鏡相對(duì)于昆蟲(chóng)的觀測(cè)高度，橫桿9也可以繞其自身軸轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)反射鏡3的俯仰角，同時(shí)橫桿9還可以繞縱桿8在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)外反射鏡3的滾動(dòng)角。以上分光光路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮了昆蟲(chóng)的有效視場(chǎng)和觀測(cè)角度的調(diào)節(jié)范圍，通過(guò)對(duì)觀測(cè)角、高度和觀測(cè)距離的調(diào)節(jié)，最終保證得到四個(gè)均勻分布且清晰的圖像且有效解決遮擋問(wèn)題，在一個(gè)扇翅周期內(nèi)都能觀測(cè)到雙翅的運(yùn)動(dòng)信息以得到最好的觀測(cè)效果。
(3)為保證高速攝像機(jī)在一幅圖像上能得到4個(gè)均勻分布的清晰圖像，有四個(gè)背景燈4，每一條反射光路配備一個(gè)背景燈4，以提供足夠的照度。由于背景光源的照明效果直接影響到成像質(zhì)量和測(cè)量的精度，因此該測(cè)量系統(tǒng)對(duì)背景光源的強(qiáng)度提出了較高的要求。照明光源選用鹵鎢燈作為背景光源，通過(guò)反射性能較好的漫反射板形成均勻的背景光再反射到翅膀表面。為避免小的視場(chǎng)范圍內(nèi)多個(gè)背景光源造成的光路之間的相互干擾，每盞燈上分別安裝了聚光罩以減少光路之間的相互干擾。
下面給出本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)。
一臺(tái)高速攝像機(jī)采用美國(guó)Redlake公司生產(chǎn)型號(hào)為MotionProModel 10000，其性能為最高采集頻率10000f/s；實(shí)際采集頻率2000f/s；曝光時(shí)間1/4000s；像元數(shù)512(H)*256(V)；像元尺寸11.9(H)μm×11.9(V)μm；電源由計(jì)算機(jī)提供，最小要求功率250W。
攝像機(jī)鏡頭焦距55mm；最大口徑比1∶2.8；景深范圍10-20mm；視角43°。
組合四面反射鏡材質(zhì)不銹鋼磨光，反射率大于90％；四面鏡對(duì)稱設(shè)計(jì)。
4個(gè)平面反射鏡外形尺寸40*60mm；材質(zhì)玻璃鍍鋁膜；反射率大于90％。
4個(gè)背景光源型號(hào)鹵鎢燈；功率1000W；電源220V。
攝像機(jī)支架總體高度為690mm，攝像機(jī)和組合平面鏡之間的安裝距離為120mm，待測(cè)昆蟲(chóng)距光學(xué)平臺(tái)的高度調(diào)節(jié)范圍150～200mm。
圖9為利用本發(fā)明測(cè)量裝置拍攝到的蜜蜂運(yùn)動(dòng)序列圖像中的兩幅，從左圖可以看出攝像機(jī)的前后擺放解決了由于扇翅幅度變化產(chǎn)生的遮擋，右圖左右擺放避免了上扇到頂部由于扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的遮擋得到了較好的雙翅的觀測(cè)效果。
權(quán)利要求
1.一種高扇翅頻昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量裝置，包括一個(gè)平臺(tái)[5]；一個(gè)固定在平臺(tái)上的攝像支架[6]和安裝在該支架上的高速攝像機(jī)[2]，高速攝像機(jī)[2]的鏡頭垂直朝向昆蟲(chóng)飛行區(qū)；固定在平臺(tái)上、位于昆蟲(chóng)飛行區(qū)下方的背景燈[4]；一個(gè)接收處理高速攝像機(jī)輸出數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)[7]；其特征在于(1)在高速攝像機(jī)[2]的正下方有一個(gè)固定在攝像支架[6]上的組合四面鏡[1]，組合四面鏡有7個(gè)平面，其由兩個(gè)端面一個(gè)底面以及4個(gè)反射平面連接組成，四面鏡的四個(gè)反射平面兩兩對(duì)稱，左右鄰接的兩對(duì)反射平面兩兩相交形成向上凸起的85°～100°夾角，前后鄰接的兩對(duì)反射平面兩兩相交形成向下凹進(jìn)的100°～120°夾角，組合四面鏡[1]的端面與組合四面鏡[1]前后鄰接的兩對(duì)反射平面的交線形成的平面平行，兩個(gè)端面中心有螺紋通孔，四個(gè)反射平面與底面的夾角相同，四個(gè)反射平面相交構(gòu)成的四條交線相交于組合四面鏡[1]的中心，該中心位于高速攝像機(jī)[2]鏡頭的中心延長(zhǎng)線上，待測(cè)昆蟲(chóng)飛行區(qū)位于組合四面鏡中心線的正下方；(2)在組合四面鏡[1]的四周各有一個(gè)通過(guò)支架固定的平面外反射鏡[3]，四個(gè)外反射鏡鏡[3]以待測(cè)昆蟲(chóng)為中心，對(duì)稱擺放在昆蟲(chóng)外側(cè)，其鏡面的高度高于組合四面鏡[1]，四個(gè)外反射鏡鏡[3]分別與組合四面鏡[1]的四個(gè)反射面對(duì)應(yīng)形成四條反射光路，使昆蟲(chóng)飛行區(qū)的景象通過(guò)四個(gè)外反射鏡[3]和相應(yīng)的內(nèi)反射鏡的反射面所形成的四條反射光路，同時(shí)攝入高速攝像機(jī)[2]的鏡頭。(3)有四個(gè)背景燈[4]，每一條反射光路配備一個(gè)背景燈[4]。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高扇翅頻昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的攝像支架[6]是一個(gè)門形架，兩個(gè)門框的底端有墊腳，通過(guò)螺釘固定在平臺(tái)[5]上；高速攝像機(jī)[2]垂直固定在門梁的中央；門梁的中央有一個(gè)向下伸出的短臂，組合四面鏡[1]固定在該短臂的下端；所說(shuō)的組合四面鏡[1]的端面與組合四面鏡[1]前后鄰接的兩對(duì)反射平面的交線形成的平面平行，在其一個(gè)端面中心有螺紋孔，在攝像支架[6]中央的短臂中心有孔，固定螺釘穿過(guò)該孔將組合四面鏡[1]固定在該短臂上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高扇翅昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的固定外反射鏡[3]的支架由縱桿[8]、橫桿[9]和支桿夾[10]組成，縱桿[8]的下端與一個(gè)磁性墊腳[11]連接，支桿夾[10]上有縱向和橫向兩個(gè)開(kāi)口夾持孔，在每個(gè)夾持孔的開(kāi)口端有緊固螺釘[12]，縱桿[8]穿在縱向夾持孔中，橫桿[9]穿在橫向夾持孔中，在橫桿[9]的一端有螺紋；所說(shuō)的外反射鏡[3]是平面鏡，其一個(gè)側(cè)面上有螺紋孔，與橫桿[9]的螺紋結(jié)合；相鄰兩個(gè)反射鏡[3]之間的距離為250mm～350mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的高扇翅昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的組合四面鏡[1]采用不銹鋼材質(zhì)加工而成，所說(shuō)的外反射鏡[3]由不銹鋼或者鍍膜玻璃制成。
全文摘要
本發(fā)明屬于昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)仿生技術(shù)領(lǐng)域，涉及對(duì)昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量裝置的改進(jìn)。它包括平臺(tái)5、高速攝像機(jī)2、背景燈4、計(jì)算機(jī)7，其特征在于高速攝像機(jī)2的正下方有組合四面鏡1，在其四周各有一個(gè)平面外反射鏡3，每條反射光路有一個(gè)背景燈4。本發(fā)明用一臺(tái)高速攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)了四個(gè)傳感器的測(cè)量功能，大大降低了系統(tǒng)成本，有效地解決了高扇翅頻昆蟲(chóng)雙側(cè)翅膀運(yùn)動(dòng)測(cè)量中的觀測(cè)盲區(qū)和遮擋問(wèn)題。
文檔編號(hào)G04F13/02GK1765700SQ20041008656
公開(kāi)日2006年5月3日 申請(qǐng)日期2004年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月26日
發(fā)明者張廣軍, 王穎, 陳大志 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)