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苍蝇比你反应快,或因看世界的方法更简单

2019-11-08 17:13:39 点击数:1215

资料来源:《科学技术日报》

当我们拍苍蝇时,苍蝇会飞得很快。你知道苍蝇是如何看到威胁并迅速做出反应的吗?

最近,天津大学精密仪器与光电工程研究所的研究人员开发了一种新型仿生复眼视觉系统。通过对复眼结构和检测方法的模拟,发现昆虫可以根据目标发出的光强来检测目标的轨迹。它的复眼结构基于光能分布的目标空间定位方法,能够在很短的时间内感知物体的接近。研究结果发表在国际期刊《光学快报》上,美国光学研究所对此做了特别报道。

恢复昆虫视觉系统

昆虫复眼视觉系统体积小、重量轻、视场角大、时间分辨率高、对运动目标的检测灵敏,是其他成像方法无法比拟的。然而,昆虫复眼快速感知物体运动轨迹的机制仍不清楚。”该项目的负责人乐松副教授表示,“自然界中昆虫的复眼尺寸极小,理论上无法清晰成像,但昆虫一般都有很强的向光性,与清晰成像相比,光强的信息量相对较小,这对需要很短反应时间来确保生存的昆虫来说意义重大。我们希望通过仿生系统探索和证明这一特性。”

研究小组使用单点金刚石切割方法在聚甲基丙烯酸甲酯表面制作了一只169个子眼的仿生复眼。子眼睛由六边形微透镜阵列紧密排列,以避免子眼睛之间的盲区。同时,子眼采用非球面,通过优化非球面进一步降低光学像差。仿生复眼可以模拟昆虫复眼的功能,每个子眼都可以作为独立的视觉受体。子眼半径约为1毫米,169个子眼形成尺寸约为20毫米的组件,其视场角可达90度。

研究人员在构成复眼的曲面透镜和图像检测器之间放置一个锥形光导装置,使曲面复眼可以均匀接收不同角度的光。锥形光导装置由多根光纤拼接而成。它具有图像传输功能,可以实现图像缩放,同时提供无失真的图像传输。通过这种策略,一方面,复眼透镜形成的曲面图像可以被转换成平面图像以供平面检测器接收,另一方面,复眼透镜形成的大视场图像可以被压缩成更小的图像,从而可以在小尺寸平面检测器上完全成像而不损坏实现耦合,从而降低了对平面检测器的技术要求乐松说。

灵感来自马赛克墙

虽然新型仿生复眼装置已经完成,但如何利用仿生复眼模拟昆虫世界,实现高灵敏度检测仍然是一个难题。“我们尝试了许多方法并采用了许多高复杂度算法来从子眼图像中获得更详细的信息来确定目标位置,但是由于运行时间长,检测速度总是无法提高。”乐松回忆道,“直到有一天,我们在一家餐馆里看到了马赛克墙。密集覆盖在墙上的马赛克块在光线中显示出各种光点和光环。那一刻,灵感来了。”在新设计灵感的指导下,研究者提出了一种基于光能分布的目标空间定位方法。“例如,展平复眼后,它就像镶嵌墙,每个子眼就像每个镶嵌块。假设我们用光源照亮墙壁,由于光源的位置和角度不同,受光源影响的块数和光能分布规律也会不同。”乐松说。与复眼相似,研究人员提取目标图像的相对亮度进行检测,即目标的距离可以由每个光子接收眼的光强、中心子眼的光强和中心子眼的像素数来确定,从而大大简化了算法的流程。

“通过使用仿生复眼实现高灵敏度检测,我们发现昆虫可能只能根据物体的亮度来定位目标,就像它们只能通过知道受光源影响的马赛克块的平均数量来定位目标一样。然而,人类需要复杂的图像信息来判断物体的位置,就像他们必须知道每个受光源影响的马赛克的信息一样,所以反应会慢得多。”乐松说,“这种简单的检测机制非常适合昆虫的神经系统,因为飞行昆虫的神经系统比脊椎动物简单得多,眼睛和飞行相关肌肉之间的直接神经元链只有6-7个细胞。只有图像中的亮灰色和暗灰色信息需要处理,这样昆虫才能快速应对威胁,帮助它们避开捕食者。”

研究人员还发现,目标离复眼系统越远,定位精度就越低,这也解释了为什么大多数昆虫都近视。

可应用于各种领域

这种新型仿生复眼能够快速检测目标的空间位置,未来可应用于智能机器人、无人驾驶汽车、飞行器、生物医学等领域。“无人驾驶汽车会遇到许多紧急情况,如行人突然出现、车辆突然停在他们面前或急转弯等。如果仿生复眼系统应用于无人驾驶车辆,它可以帮助快速检测或自动回避。”乐松说。

复眼系统的本质是单摄像机三维定位系统。与传统的多目标立体视觉系统相比,复眼系统体积较小,可以在紧凑的空间内实现立体检测,如医用内窥镜等领域。

此外,复眼结构还可以应用于光伏系统的高效能量转换。乐松解释道:“我们知道太阳能电池板的能量转换与光线进入电池板的角度有关。如果将复眼系统引入光伏系统,复眼对光的大视场接收能力可以用来提高其能量转换效率。”(科技日报陈Xi记者张华)

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