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蒼蠅比你反應(yīng)快，或因看世界的方法更簡單

小知識科普宋樂馬賽克昆蟲探測


蒼蠅比你反應(yīng)快，或因看世界的方法更簡單



我們拍蒼蠅的時候 ， 蒼蠅會非常迅速地飛走 ， 你知道蒼蠅是怎么看到威脅并迅速做出反應(yīng)的嗎？
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) ， 通過對復(fù)眼結(jié)構(gòu)及探測方法等多個層面的模擬 ， 發(fā)現(xiàn)昆蟲可能是根據(jù)目標發(fā)出的光強度來探測目標軌跡 ， 其復(fù)眼結(jié)構(gòu)基于光能分布的目標空間定位方法 ， 能在極短時間內(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》上 ， 美國光學(xué)學(xué)會對其進行了專題報道 。
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、時間分辨率高、運動目標探測靈敏 ， 這使其具有其他成像方法無法比擬的優(yōu)勢 ， 然而昆蟲復(fù)眼快速感知物體目標運動軌跡的機理還不明確 。 ” 課題負責(zé)人宋樂副教授介紹說 ， “自然界昆蟲復(fù)眼的尺寸極小 ， 理論上并不能夠進行清晰的成像 ， 但昆蟲普遍具有很強的趨光性 ， 而且相對于清晰成像而言 ， 光強的信息量比較小 ， 這對需要極短反應(yīng)時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)來探索并證實這種特性 。 ”
研究團隊利用單點金剛石切削法 ， 在聚甲基丙烯酸甲酯上制作了表面有169個子眼的仿生復(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 ， 子眼面形采用非球面 ， 通過對非球面的優(yōu)化 ， 進一步降低了光學(xué)像差 。 這種仿生復(fù)眼可模擬昆蟲復(fù)眼功能 ， 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個子眼形成一個尺寸約為20毫米的組件 ， 其視場角可達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器之間放置一個錐形導(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 ， 實現(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器上 ， 實現(xiàn)耦合 ， 從而降低了對平面探測器的技術(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 ， 實現(xiàn)高靈敏度探測 ， 卻又是一個難題 。 “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節(jié)信息 ， 來確定目標位置 ， 但因為運行時間太長 ， 探測速度總是上不去 。 ”宋樂回憶說 ， “直到有一天 ， 我們在一家餐廳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)計靈感的指引下 ， 研究人員提出了一種基于光能分布的目標空間定位方法 。 “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)我們用一個光源照射墻面 ， 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)律也會有所不同 。 ”宋樂說 。 同理到復(fù)眼 ， 研究人員提取了目標圖像的相對亮度來進行探測 ， 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) ， 即可確定目標的遠近 ， 大大簡化了算法的流程 。
“通過用仿生復(fù)眼實現(xiàn)高靈敏度探測 ， 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 ， 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)就會慢很多 。 ”宋樂介紹說 ， “這種簡單的探測機制非常適合昆蟲的腦神經(jīng)系統(tǒng) ， 因為飛行昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)比脊椎動物的要簡單得多 ， 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個細胞 。 僅僅需要處理圖像的明暗灰度信息 ， 便可使昆蟲對威脅作出快速反應(yīng) ， 可幫助它們躲避捕食者 。 ”

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