人類雙眼定位原理分析

寶青蘭

人類雙眼定位原理分析

寶青蘭

寶青蘭

內蒙古通遼市奈曼旗蒙古族中學

寶青蘭（1974-）女，學士，中教一級，研究領域為物理學，人工智能。

引言

人類獲取的外界信息多種多樣，主要包括：視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等等，其中80％的外界信息是通過視覺得到的。在大量的視覺信息中，對目標的形狀、結構、位置等進行分析時均需要目標定位，因此人眼定位對于目標跟蹤、識別、人類行走和避障具有重要的意義。

人眼結構與成像原理

人眼主要由角膜、睫狀肌、晶狀體、玻璃體、視網膜和視神經六部分組成，并且人眼符合凸透鏡成像原理，在視網膜上呈現(xiàn)倒立的實像，如圖1所示。其中晶狀體是一個可以調節(jié)焦距的凸透鏡，從而保證物體在視網膜上成倒立清晰的實像。

圖1 人眼結構圖

根據(jù)凸透鏡成像原理知，對于給定的凸透鏡（即焦距f不變），當物距增大時，像距減小；反之，當物距減小時，像距增大。然而人的眼球直徑不能變化，為了在視網膜上得到清晰的實像，所以需要調節(jié)凸透鏡（晶體）的焦距f，保證觀測到清晰地目標。

目標定位原理

坐標系及其變換

設：左、右眼的瞳孔分別為OL、OR，左、右眼的視網膜黃斑位置分別為O`L、O`R，則世界坐標系為，以的中點O作為坐標原點作為x軸，雙眼正前方作為z軸，按右手定則確定y軸；對于左眼以OL點作為坐標原點作為zL，向右眼方向作為xL，按照右手定則確定yL軸，故得到左眼的局部坐標系OLxLyLzL；同理，可得到右眼的局部坐標系ORxRyRzR；，pL、pR分別為視網膜平面且分別平行于OLxLyL、ORxR平面，如圖2所示。

根據(jù)空間中三維剛體變換關系知

其中a、b、g分別為繞x軸、y軸和z軸的旋轉角度。

因此，左、右眼坐標系與世界坐標系之間的變換關系為

圖2 世界坐標系與局部坐標系

為了計算簡單，通常各坐標系選用相同的單位長度，所以尺度參數(shù)一般取sL=sR=1。另外，由于世界坐標系的原點位于左、右眼坐標系原點的中點，所以平移向量與兩眼的距離L相關，一般取

目標定位分析

為了便于進行成像分析，將人眼的凸透鏡成像簡化為小孔成像。現(xiàn)已知眼球的前后徑長度d（即和兩眼之間的距離L（即根據(jù)光線直線傳播特性和小孔成像原理，空間中的目標M在視網膜上成縮小倒立的實像，則可以得到目標點M在左、右眼中的像點mL、mR，如圖3所示。

圖3 人眼單目標成像原理

設：目標點M和左眼中的像點mL在左眼坐標系中的坐標分別為目標點M和右眼中的像點mR在右眼坐標系中的坐標分別為所以根據(jù)小孔成像原理及光線直線傳播特性有

式中kL、kR為比例因子。依據(jù)左、右眼坐標系與世界坐標系之間的變換關系式（3）、（4）得到目標點M在世界坐標系下的齊次坐標為

由此得

當人眼觀測目標時，眼球旋轉、晶體調節(jié)焦距，是的目標在視網膜上成倒立的實像，所以參數(shù)和以及像點坐標mL、mR是已知的。又因已知世界坐標系的位置和兩眼同空間的距離L，故平移向量CL和CR是確定的。

因此，可以利用式（9）所確定的方程求解比例因子kL、kR，再根據(jù)式（7）或式（8）計算出目標點M在世界坐標系下的坐標。人類是利用眼睛獲得的像點信息和先驗保存的雙眼瞳孔距離，經過大腦分析得到目標相對于人的位置關系，從而實現(xiàn)了雙眼對空間目標的定位。

結語

人類的視覺定位是進行目標識別、跟蹤以及人類行走和避障的重要基礎。本文根據(jù)人眼成像原理，結合三維空間變換理論，利用目標在雙眼的像點坐標，經過大腦分析、計算出目標相對于人（即世界坐標系）的空間坐標，因此實現(xiàn)了人類雙眼的目標定位。

內蒙古自然科學基金（No.2012MS0931）

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.005