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近日，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的研究人員研制了新型仿生復(fù)眼視覺系統(tǒng)，通過對(duì)復(fù)眼結(jié)構(gòu)及探測(cè)方法等多個(gè)層面的模擬，發(fā)現(xiàn)昆蟲可能是根據(jù)目標(biāo)發(fā)出的光強(qiáng)度來探測(cè)目標(biāo)軌跡，其復(fù)眼結(jié)構(gòu)基于光能分布的目標(biāo)空間定位方法，能在極短時(shí)間內(nèi)感知物體迫近。該研究成果發(fā)表在國際期刊《光學(xué)快報(bào)》上，美國光學(xué)學(xué)會(huì)對(duì)其進(jìn)行了專題報(bào)道。
還原昆蟲視覺系統(tǒng)
“昆蟲復(fù)眼視覺系統(tǒng)體積小、重量輕、視場角大、時(shí)間分辨率高、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)靈敏，這使其具有其他成像方法無法比擬的優(yōu)勢(shì)，然而昆蟲復(fù)眼快速感知物體目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的機(jī)理還不明確。” 課題負(fù)責(zé)人宋樂副教授介紹說，“自然界昆蟲復(fù)眼的尺寸極小，理論上并不能夠進(jìn)行清晰的成像，但昆蟲普遍具有很強(qiáng)的趨光性，而且相對(duì)于清晰成像而言，光強(qiáng)的信息量比較小，這對(duì)需要極短反應(yīng)時(shí)間來保證生存的昆蟲來說，具有重要的意義。我們希望通過仿生系統(tǒng)來探索并證實(shí)這種特性。”
研究團(tuán)隊(duì)利用單點(diǎn)金剛石切削法，在聚甲基丙烯酸甲酯上制作了表面有169個(gè)子眼的仿生復(fù)眼。子眼采用六邊形微透鏡陣列密接排布，以避免產(chǎn)生子眼間盲區(qū)；同時(shí)，子眼面形采用非球面，通過對(duì)非球面的優(yōu)化，進(jìn)一步降低了光學(xué)像差。這種仿生復(fù)眼可模擬昆蟲復(fù)眼功能，每個(gè)子眼均可作為獨(dú)立的視覺感受器。子眼半徑約1毫米，169個(gè)子眼形成一個(gè)尺寸約為20毫米的組件，其視場角可達(dá)90度。
研究人員通過在構(gòu)成復(fù)眼的曲面透鏡和圖像探測(cè)器之間放置一個(gè)錐形導(dǎo)光器件，使表面彎曲的復(fù)眼可以均勻地接收來自不同角度的光。錐形導(dǎo)光器件由多束光纖熔接而成，具有傳像功能，可在提供無畸變圖像傳輸?shù)耐瑫r(shí)，實(shí)現(xiàn)圖像縮放。“采用這種策略，一方面可將復(fù)眼透鏡所成的曲面像轉(zhuǎn)化為平面像以便平面探測(cè)器接收，另一方面可將復(fù)眼透鏡所成的大視場圖像等比壓縮為較小的像，以使其能夠全部無損地成像于小尺寸平面探測(cè)器上，實(shí)現(xiàn)耦合，從而降低了對(duì)平面探測(cè)器的技術(shù)要求。”宋樂介紹說。
由一面馬賽克墻獲得靈感
新型仿生復(fù)眼器件雖然制作完成了，但是如何利用仿生復(fù)眼模擬昆蟲看世界，實(shí)現(xiàn)高靈敏度探測(cè)，卻又是一個(gè)難題。“我們嘗試了很多方法，也采用了很多高復(fù)雜度的算法，力求從子眼圖像中獲取更多的細(xì)節(jié)信息，來確定目標(biāo)位置，但因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)間太長，探測(cè)速度總是上不去。”宋樂回憶說，“直到有一天，我們?cè)谝患也蛷d里看到了一面馬賽克墻，墻上密布的馬賽克塊在燈光的映照下，呈現(xiàn)出了形態(tài)各異的光斑和光暈。那一瞬間，靈感就來了。”在新設(shè)計(jì)靈感的指引下，研究人員提出了一種基于光能分布的目標(biāo)空間定位方法。“打個(gè)比方，將復(fù)眼展平后就類似于一面馬賽克墻，每個(gè)子眼就像每一個(gè)馬賽克塊，假設(shè)我們用一個(gè)光源照射墻面，由于光源位置、角度的不同，受其影響的馬賽克的塊數(shù)以及光能分布的規(guī)律也會(huì)有所不同。”宋樂說。同理到復(fù)眼，研究人員提取了目標(biāo)圖像的相對(duì)亮度來進(jìn)行探測(cè)，即由每個(gè)受光子眼的光強(qiáng)、中心子眼的光強(qiáng)以及中心子眼的像素?cái)?shù)，即可確定目標(biāo)的遠(yuǎn)近，大大簡化了算法的流程。
“通過用仿生復(fù)眼實(shí)現(xiàn)高靈敏度探測(cè)，我們發(fā)現(xiàn)昆蟲或許僅根據(jù)物體的亮度就能定位目標(biāo)，就像只需要了解受光源影響的馬賽克塊數(shù)的平均值就可以定位目標(biāo)一樣。而人類需要復(fù)雜的圖像信息來判斷物體的位置，就像必須要了解每一塊馬賽克受光源影響的信息一樣，這樣反應(yīng)就會(huì)慢很多。”宋樂介紹說，“這種簡單的探測(cè)機(jī)制非常適合昆蟲的腦神經(jīng)系統(tǒng)，因?yàn)轱w行昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)比脊椎動(dòng)物的要簡單得多，眼睛和飛行相關(guān)肌肉之間直接的神經(jīng)元鏈也只有6—7個(gè)細(xì)胞。僅僅需要處理圖像的明暗灰度信息，便可使昆蟲對(duì)威脅作出快速反應(yīng)，可幫助它們躲避捕食者。”
研究人員還發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)距離復(fù)眼系統(tǒng)越遠(yuǎn)，定位精度就會(huì)越低，這也解釋了為什么大多數(shù)昆蟲都是近視眼。
可應(yīng)用于各種領(lǐng)域
這種新型仿生復(fù)眼能夠快速探測(cè)目標(biāo)的空間位置，未來可以應(yīng)用于智能機(jī)器人、無人駕駛、飛行器、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。“無人駕駛汽車會(huì)遇到許多突發(fā)事件，例如行人突然出現(xiàn)，前方車輛急停或者急拐彎等等。若將仿生復(fù)眼系統(tǒng)應(yīng)用于無人駕駛汽車上，則可以輔助實(shí)現(xiàn)快速探測(cè)或自動(dòng)躲避。”宋樂介紹說。
復(fù)眼系統(tǒng)本質(zhì)是一種單相機(jī)三維定位系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的多目立體視覺系統(tǒng)相比，復(fù)眼系統(tǒng)的體積較小，可實(shí)現(xiàn)緊湊空間內(nèi)的立體探測(cè)，例如醫(yī)用內(nèi)窺鏡等領(lǐng)域。
此外，這種復(fù)眼結(jié)構(gòu)還可以應(yīng)用于光伏系統(tǒng)的高效能量轉(zhuǎn)換。宋樂解釋說：“我們知道，太陽能電池板的能量轉(zhuǎn)換與光線入射電池板的角度有關(guān)。若將復(fù)眼系統(tǒng)引入光伏系統(tǒng)，則可以利用復(fù)眼對(duì)光線的大視場接收能力，提高其能量轉(zhuǎn)換效率。”（科技日?qǐng)?bào) 陳 曦 通訊員 張 華）