【行業(yè)新聞】根據(jù)蒼蠅反應(yīng)快，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院新型仿生復(fù)眼視覺系統(tǒng)
標(biāo)題：根據(jù)蒼蠅反應(yīng)快，天大精密儀器與光電子工程研發(fā)新型仿生復(fù)眼視覺系統(tǒng)
咱們拍蒼蠅的瞬間，蒼蠅會十分迅速地飛走，你知道蒼蠅是怎么看到要挾并迅速做出反應(yīng)的嗎？
近來，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的研究人員研發(fā)了新式仿生復(fù)眼視覺體系，經(jīng)過對復(fù)眼結(jié)構(gòu)及勘探辦法等多個層面的模仿，發(fā)現(xiàn)昆蟲可能是依據(jù)方針宣布的光強度來勘探方針軌道，其復(fù)眼結(jié)構(gòu)根據(jù)光能散布的方針空間定位辦法，能在極短時刻內(nèi)感知物體迫近。該研究成果發(fā)表在世界期刊《光學(xué)快報》上，美國光學(xué)學(xué)會對其進行了專題報道。
“昆蟲復(fù)眼視覺體系體積小、重量輕、視場角大、時刻分辨率高、運動方針勘探活絡(luò)，這使其具有其他成像辦法無法比擬的優(yōu)勢，但是昆蟲復(fù)眼快速感知物體方針運動軌道的機理還不明晰。” 課題負(fù)責(zé)人宋樂副教授介紹說，“自然界昆蟲復(fù)眼的尺度極小，理論上并不能夠進行明晰的成像，但昆蟲遍及具有很強的趨光性，而且相對于明晰成像而言，光強的信息量比較小，這對需求極短反應(yīng)時刻來保證生存的昆蟲來說，具有重要的意義。咱們希望經(jīng)過仿生體系來探究并證實這種特性。”
研究團隊使用單點金剛石切削法，在聚甲基丙烯酸甲酯上制作了外表有169個子眼的仿生復(fù)眼。子眼選用六邊形微透鏡陣列密接排布，以防止產(chǎn)生子眼間盲區(qū)；同時，子眼面形選用非球面，經(jīng)過對非球面的優(yōu)化，進一步降低了光學(xué)像差。這種仿生復(fù)眼可模仿昆蟲復(fù)眼功用，每個子眼均可作為獨立的視覺感受器。子眼半徑約1毫米，169個子眼形成一個尺度約為20毫米的組件，其視場角可達90度。
研究人員經(jīng)過在構(gòu)成復(fù)眼的曲面透鏡和圖畫勘探器之間放置一個錐形導(dǎo)光器材，使外表曲折的復(fù)眼能夠均勻地接納來自不同視點的光。錐形導(dǎo)光器材由多束光纖熔接而成，具有傳像功用，可在供給無畸變圖畫傳輸?shù)耐瑫r，完成圖畫縮放。“選用這種策略，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勘探器接納，另一方面可將復(fù)眼透鏡所成的大視場圖畫等比壓縮為較小的像，以使其能夠全部無損地成像于小尺度平面勘探器上，完成耦合，然后降低了對平面勘探器的技術(shù)要求。”宋樂介紹說。
由一面馬賽克墻取得靈感
新式仿生復(fù)眼器材盡管制作完成了，但是如何使用仿生復(fù)眼模仿昆蟲看世界，完成高活絡(luò)度勘探，卻又是一個難題。“咱們嘗試了許多辦法，也選用了許多高雜亂度的算法，力求從子眼圖畫中獲取更多的細(xì)節(jié)信息，來確認(rèn)方針方位，但由于運行時刻太長，勘探速度總是上不去。”宋樂回憶說，“直到有一天，咱們在一家餐廳里看到了一面馬賽克墻，墻上布滿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。”在新規(guī)劃靈感的指引下，研究人員提出了一種根據(jù)光能散布的方針空間定位辦法。“打個比方，將復(fù)眼展平后就類似于一面馬賽克墻，每個子眼就像每一個馬賽克塊，假設(shè)咱們用一個光源照射墻面，由于光源方位、視點的不同，受其影響的馬賽克的塊數(shù)以及光能散布的規(guī)則也會有所不同。”宋樂說。同理到復(fù)眼，研究人員提取了方針圖畫的相對亮度來進行勘探，即由每個受光子眼的光強、中心子眼的光強以及中心子眼的像素數(shù)，即可確認(rèn)方針的遠(yuǎn)近，大大簡化了算法的流程。
“經(jīng)過用仿生復(fù)眼完成高活絡(luò)度勘探，咱們發(fā)現(xiàn)昆蟲或許僅依據(jù)物體的亮度就能定位方針，就像只需求了解受光源影響的馬賽克塊數(shù)的平均值就能夠定位方針相同。而人類需求雜亂的圖畫信息來判斷物體的方位，就像有必要要了解每一塊馬賽克受光源影響的信息相同，這樣反應(yīng)就會慢許多。”宋樂介紹說，“這種簡略的勘探機制十分適合昆蟲的腦神經(jīng)體系，由于飛翔昆蟲的神經(jīng)體系比脊椎動物的要簡略得多，眼睛和飛翔相關(guān)肌肉之間直接的神經(jīng)元鏈也只有6—7個細(xì)胞。只是需求處理圖畫的明暗灰度信息，便可使昆蟲對要挾作出快速反應(yīng)，可幫助它們躲避捕食者。”
研究人員還發(fā)現(xiàn)，方針距離復(fù)眼體系越遠(yuǎn)，定位精度就會越低，這也解說了為什么大多數(shù)昆蟲都是近視眼。
可應(yīng)用于各種范疇
這種新式仿生復(fù)眼能夠快速勘探方針的空間方位，未來能夠應(yīng)用于智能機器人、無人駕駛、飛翔器、生物醫(yī)療等范疇。“無人駕駛轎車會遇到許多突發(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)眼體系應(yīng)用于無人駕駛轎車上，則能夠輔助完成快速勘探或主動躲避。”宋樂介紹說。
復(fù)眼體系本質(zhì)是一種單相機三維定位體系，與傳統(tǒng)的多目立體視覺體系相比，復(fù)眼體系的體積較小，可完成緊湊空間內(nèi)的立體勘探，例如醫(yī)用內(nèi)窺鏡等范疇。
此外，這種復(fù)眼結(jié)構(gòu)還能夠應(yīng)用于光伏體系的高效能量轉(zhuǎn)化。宋樂解說說：“咱們知道，太陽能電池板的能量轉(zhuǎn)化與光線入射電池板的視點有關(guān)。若將復(fù)眼體系引進光伏體系，則能夠使用復(fù)眼對光線的大視場接納能力，提高其能量轉(zhuǎn)化功率。”
來源：科技日報
