人类双眼定位原理分析

宝青兰

人类双眼定位原理分析

宝青兰

宝青兰

内蒙古通辽市奈曼旗蒙古族中学

宝青兰（1974-）女，学士，中教一级，研究领域为物理学，人工智能。

引言

人类获取的外界信息多种多样，主要包括：视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等等，其中80％的外界信息是通过视觉得到的。在大量的视觉信息中，对目标的形状、结构、位置等进行分析时均需要目标定位，因此人眼定位对于目标跟踪、识别、人类行走和避障具有重要的意义。

人眼结构与成像原理

人眼主要由角膜、睫状肌、晶状体、玻璃体、视网膜和视神经六部分组成，并且人眼符合凸透镜成像原理，在视网膜上呈现倒立的实像，如图1所示。其中晶状体是一个可以调节焦距的凸透镜，从而保证物体在视网膜上成倒立清晰的实像。

图1 人眼结构图

根据凸透镜成像原理知，对于给定的凸透镜（即焦距f不变），当物距增大时，像距减小；反之，当物距减小时，像距增大。然而人的眼球直径不能变化，为了在视网膜上得到清晰的实像，所以需要调节凸透镜（晶体）的焦距f，保证观测到清晰地目标。

目标定位原理

坐标系及其变换

设：左、右眼的瞳孔分别为OL、OR，左、右眼的视网膜黄斑位置分别为O`L、O`R，则世界坐标系为，以的中点O作为坐标原点作为x轴，双眼正前方作为z轴，按右手定则确定y轴；对于左眼以OL点作为坐标原点作为zL，向右眼方向作为xL，按照右手定则确定yL轴，故得到左眼的局部坐标系OLxLyLzL；同理，可得到右眼的局部坐标系ORxRyRzR；，pL、pR分别为视网膜平面且分别平行于OLxLyL、ORxR平面，如图2所示。

根据空间中三维刚体变换关系知

其中a、b、g分别为绕x轴、y轴和z轴的旋转角度。

因此，左、右眼坐标系与世界坐标系之间的变换关系为

图2 世界坐标系与局部坐标系

为了计算简单，通常各坐标系选用相同的单位长度，所以尺度参数一般取sL=sR=1。另外，由于世界坐标系的原点位于左、右眼坐标系原点的中点，所以平移向量与两眼的距离L相关，一般取

目标定位分析

为了便于进行成像分析，将人眼的凸透镜成像简化为小孔成像。现已知眼球的前后径长度d（即和两眼之间的距离L（即根据光线直线传播特性和小孔成像原理，空间中的目标M在视网膜上成缩小倒立的实像，则可以得到目标点M在左、右眼中的像点mL、mR，如图3所示。

图3 人眼单目标成像原理

设：目标点M和左眼中的像点mL在左眼坐标系中的坐标分别为目标点M和右眼中的像点mR在右眼坐标系中的坐标分别为所以根据小孔成像原理及光线直线传播特性有

式中kL、kR为比例因子。依据左、右眼坐标系与世界坐标系之间的变换关系式（3）、（4）得到目标点M在世界坐标系下的齐次坐标为

由此得

当人眼观测目标时，眼球旋转、晶体调节焦距，是的目标在视网膜上成倒立的实像，所以参数和以及像点坐标mL、mR是已知的。又因已知世界坐标系的位置和两眼同空间的距离L，故平移向量CL和CR是确定的。

因此，可以利用式（9）所确定的方程求解比例因子kL、kR，再根据式（7）或式（8）计算出目标点M在世界坐标系下的坐标。人类是利用眼睛获得的像点信息和先验保存的双眼瞳孔距离，经过大脑分析得到目标相对于人的位置关系，从而实现了双眼对空间目标的定位。

结语

人类的视觉定位是进行目标识别、跟踪以及人类行走和避障的重要基础。本文根据人眼成像原理，结合三维空间变换理论，利用目标在双眼的像点坐标，经过大脑分析、计算出目标相对于人（即世界坐标系）的空间坐标，因此实现了人类双眼的目标定位。

内蒙古自然科学基金（No.2012MS0931）

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.005