《科技日報》 2019年9月16日 第08版
陳 曦 通訊員 張 華
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近日，天津大學精密儀器與光電子工程學院的研究人員研製了新型仿生複眼視覺系統，通過對複眼結構及探測方法等多個層面的模擬，發現昆蟲可能是根據目標發出的光強度來探測目標軌跡，其複眼結構基於光能分布的目標空間定位方法，能在極短時間內感知物體迫近。該研究成果發表在國際期刊《光學快報》上，美國光學學會對其進行了專題報導。
還原昆蟲視覺系統
「昆蟲複眼視覺系統體積小、重量輕、視場角大、時間解析度高、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勢，然而昆蟲複眼快速感知物體目標運動軌跡的機理還不明確。」 課題負責人宋樂副教授介紹說，「自然界昆蟲複眼的尺寸極小，理論上並不能夠進行清晰的成像，但昆蟲普遍具有很強的趨光性，而且相對於清晰成像而言，光強的信息量比較小，這對需要極短反應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來探索並證實這種特性。」
研究團隊利用單點金剛石切削法，在聚甲基丙烯酸甲酯上製作了表面有169個子眼的仿生複眼。子眼採用六邊形微透鏡陣列密接排布，以避免產生子眼間盲區；同時，子眼面形採用非球面，通過對非球面的優化，進一步降低了光學像差。這種仿生複眼可模擬昆蟲複眼功能，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。
研究人員通過在構成複眼的曲面透鏡和圖像探測器之間放置一個錐形導光器件，使表面彎曲的複眼可以均勻地接收來自不同角度的光。錐形導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的同時，實現圖像縮放。「採用這種策略，一方面可將複眼透鏡所成的曲面像轉化為平面像以便平面探測器接收，另一方面可將複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於小尺寸平面探測器上，實現耦合，從而降低了對平面探測器的技術要求。」宋樂介紹說。
由一面馬賽克牆獲得靈感
新型仿生複眼器件雖然製作完成了，但是如何利用仿生複眼模擬昆蟲看世界，實現高靈敏度探測，卻又是一個難題。「我們嘗試了很多方法，也採用了很多高複雜度的算法，力求從子眼圖像中獲取更多的細節信息，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，我們在一家餐廳裡看到了一面馬賽克牆，牆上密布的馬賽克塊在燈光的映照下，呈現出了形態各異的光斑和光暈。那一瞬間，靈感就來了。」在新設計靈感的指引下，研究人員提出了一種基於光能分布的目標空間定位方法。「打個比方，將複眼展平後就類似於一面馬賽克牆，每個子眼就像每一個馬賽克塊，假設我們用一個光源照射牆面，由於光源位置、角度的不同，受其影響的馬賽克的塊數以及光能分布的規律也會有所不同。」宋樂說。同理到複眼，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，即可確定目標的遠近，大大簡化了算法的流程。
「通過用仿生複眼實現高靈敏度探測，我們發現昆蟲或許僅根據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的平均值就可以定位目標一樣。而人類需要複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系統，因為飛行昆蟲的神經系統比脊椎動物的要簡單得多，眼睛和飛行相關肌肉之間直接的神經元鏈也只有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，可幫助它們躲避捕食者。」
研究人員還發現，目標距離複眼系統越遠，定位精度就會越低，這也解釋了為什麼大多數昆蟲都是近視眼。
可應用於各種領域
這種新型仿生複眼能夠快速探測目標的空間位置，未來可以應用於智慧機器人、無人駕駛、飛行器、生物醫療等領域。「無人駕駛汽車會遇到許多突發事件，例如行人突然出現，前方車輛急停或者急拐彎等等。若將仿生複眼系統應用於無人駕駛汽車上，則可以輔助實現快速探測或自動躲避。」宋樂介紹說。
複眼系統本質是一種單相機三維定位系統，與傳統的多目立體視覺系統相比，複眼系統的體積較小，可實現緊湊空間內的立體探測，例如醫用內窺鏡等領域。
此外，這種複眼結構還可以應用於光伏系統的高效能量轉換。宋樂解釋說：「我們知道，太陽能電池板的能量轉換與光線入射電池板的角度有關。若將複眼系統引入光伏系統，則可以利用複眼對光線的大視場接收能力，提高其能量轉換效率。」
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（編輯 焦德芳 王寒玉）