基于視覺(jué)仿生技術(shù)的成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮馳++王佳榮

摘 要：基于生物視覺(jué)特性的成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)是視覺(jué)仿生領(lǐng)域目前的研究熱點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了兩種生物視覺(jué)成像系統(tǒng)，分別是昆蟲(chóng)復(fù)眼成像系統(tǒng)和鳥(niǎo)類(lèi)視覺(jué)成像系統(tǒng)。其中昆蟲(chóng)復(fù)眼成像系統(tǒng)為2×2的陣列光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成拼接；鳥(niǎo)類(lèi)視覺(jué)成像系統(tǒng)為雙光路光學(xué)系統(tǒng)，分別模擬了鳥(niǎo)類(lèi)視網(wǎng)膜上的雙中央凹系統(tǒng)。成像質(zhì)量完好，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，具有一定的參考意義和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：視覺(jué)仿生 成像系統(tǒng)設(shè)計(jì) 復(fù)眼 鳥(niǎo)眼

中圖分類(lèi)號(hào)：O439 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）08（c）-0035-03

基于生物視覺(jué)特性的成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)稱為視覺(jué)仿生技術(shù)，視覺(jué)仿生技術(shù)是通過(guò)模仿生物視覺(jué)機(jī)制來(lái)改善和實(shí)現(xiàn)成像系統(tǒng)功能的一種仿生技術(shù)。從體育賽事中常用的“鷹眼”運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量是回放系統(tǒng)到在攝影和投影領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的魚(yú)眼鏡頭，都展示了視覺(jué)仿生學(xué)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和價(jià)值。例如：美國(guó)、英國(guó)在多種民用和軍用設(shè)備上均采用了如蠅復(fù)眼的視覺(jué)仿生技術(shù)。大量的研究成果表明，視覺(jué)仿生技術(shù)的應(yīng)用前景不可小覷。目前，國(guó)內(nèi)在生物視覺(jué)機(jī)理及仿生技術(shù)方面的研究較多的是昆蟲(chóng)、蛙、龍蝦、鳥(niǎo)類(lèi)等動(dòng)物的視覺(jué)系統(tǒng)以及人眼的視覺(jué)系統(tǒng)，主要研究目的是通過(guò)模仿生物的獨(dú)特的視覺(jué)機(jī)制，進(jìn)一步改進(jìn)和完善計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)的功能[1]。

1 視覺(jué)仿生成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 昆蟲(chóng)復(fù)眼成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通常昆蟲(chóng)都會(huì)有一對(duì)與大腦的視覺(jué)中樞緊密相連的復(fù)眼。在光學(xué)上，每個(gè)小眼相當(dāng)于一個(gè)小透鏡，復(fù)眼可以看作是由小眼規(guī)則排列的一個(gè)多透鏡的陣列。根據(jù)復(fù)眼結(jié)構(gòu)，復(fù)眼可分為4種類(lèi)型，分別是并列型復(fù)眼、折射重疊型復(fù)眼、反射重疊型復(fù)眼和神經(jīng)重疊型復(fù)眼[1]。目前以并列型復(fù)眼與重疊型復(fù)眼光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為學(xué)者們的研究重點(diǎn)，尤其仿生復(fù)眼光學(xué)系統(tǒng)在激光雷達(dá)、成像制導(dǎo)、微型飛行器以及智能機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)中的應(yīng)用前景不容小覷。

本文設(shè)計(jì)了一種并列型復(fù)眼成像系統(tǒng)，每個(gè)小眼對(duì)應(yīng)一個(gè)接收器，以2×2的透鏡陣列模擬昆蟲(chóng)復(fù)眼的大視場(chǎng)特性，完成視場(chǎng)拼接[2]。其中小眼的成像系統(tǒng)參數(shù)為：波長(zhǎng)λ為905nm，視場(chǎng)角2w為0.6°，通光口徑D為40mm，小眼系統(tǒng)焦距f為47.27mm，會(huì)聚接收后的光斑半徑最大為250μm，選用的透鏡材料為K9玻璃。小眼系統(tǒng)的二維光路圖如圖1所示。

由于小眼接收系統(tǒng)的視場(chǎng)角較小，可以采用直接拼接的方法，光學(xué)系統(tǒng)能夠最大面積地接收到光信號(hào)的同時(shí)，又能減少重疊區(qū)。小眼系統(tǒng)的透鏡組由一個(gè)物鏡和一個(gè)目鏡組成，需要將物鏡切割成正方形，再將方形物鏡直接拼接在一起。相鄰的方形物鏡的視場(chǎng)會(huì)有重疊，因此，在設(shè)計(jì)目鏡鏡座安裝的小孔時(shí)必須區(qū)分開(kāi)角度，保證每個(gè)孔與水平和垂直方向均偏離0.3°。相鄰的方形物鏡的視場(chǎng)會(huì)有重疊，因此，在設(shè)計(jì)目鏡鏡座安裝的小孔時(shí)必須區(qū)分開(kāi)角度。為使整個(gè)陣列仿生復(fù)眼的空間視場(chǎng)能夠很好的拼接在一起，需將鏡片切割成正方形拼接成一個(gè)圓的外切方形[3]，如下圖2所示。整體的昆蟲(chóng)復(fù)眼成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)裝配圖如圖3所示，以2×2的陣列方式模擬了昆蟲(chóng)并列型復(fù)眼的成像系統(tǒng)，成像質(zhì)量完好。

1.2 鳥(niǎo)類(lèi)視覺(jué)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鳥(niǎo)類(lèi)的視覺(jué)相當(dāng)發(fā)達(dá)，它們的眼睛除了有上下眼瞼之外還有瞬膜[4]。與哺乳動(dòng)物不同的是，鳥(niǎo)類(lèi)的眼睛還可以做到近視和遠(yuǎn)視瞬間調(diào)節(jié)。高空飛行的猛禽有很好的運(yùn)動(dòng)視覺(jué)處理系統(tǒng)，它們的眼睛具有很大的視場(chǎng)角，還可以做到近視和遠(yuǎn)視瞬間調(diào)節(jié)[5]。因此，猛禽的眼睛是鳥(niǎo)類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)中比較特殊的一種是視覺(jué)系統(tǒng)，在跟蹤與定位、高分辨率成像和運(yùn)動(dòng)深度處理等領(lǐng)域都有借鑒意義。

本文模擬設(shè)計(jì)了一種猛禽的單眼成像系統(tǒng)，這種鳥(niǎo)的眼睛相較于人眼的單中央凹，它具有兩處光感受器密集區(qū)域，從而擁有卓越的視覺(jué)分辨率，視覺(jué)分辨力超過(guò)100cycles/degree。根據(jù)研究，人眼中央凹處的神經(jīng)元密度只有38000/mm2，而猛禽的神經(jīng)元密度高達(dá)人眼的2倍。這也是它在高空中能夠看清地面或者樹(shù)上的獵物的原因之一。因此，基于其單目視覺(jué)系統(tǒng)的特性，采用雙光路光學(xué)系統(tǒng)模擬其視覺(jué)光學(xué)系統(tǒng)。主要的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：波長(zhǎng)為可見(jiàn)光波段，F(xiàn)數(shù)為5，探測(cè)器接收面為1/2in，正中央凹系統(tǒng)的視場(chǎng)為±16°，側(cè)中央凹系統(tǒng)的視場(chǎng)為±2°。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，雙光路系統(tǒng)均采用8片鏡片，均采用常見(jiàn)玻璃，二維光路圖如圖4所示。通過(guò)像差校正后的光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量完。正中央凹系統(tǒng)的焦距為11.2mm，側(cè)中央凹系統(tǒng)的焦距為68.7mm。各視場(chǎng)在100lp/mm在處的調(diào)制傳遞函數(shù)可達(dá)0.5以上，符合成像要求，具有遠(yuǎn)距離、大視場(chǎng)、能量集中度高等優(yōu)點(diǎn)。

2 結(jié)語(yǔ)

基于視覺(jué)仿生技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了兩種成像系統(tǒng)，分別是昆蟲(chóng)復(fù)眼成像系統(tǒng)和鳥(niǎo)類(lèi)視覺(jué)成像系統(tǒng)。其中昆蟲(chóng)復(fù)眼光學(xué)系統(tǒng)可以應(yīng)用在激光雷達(dá)、成像制導(dǎo)、微型飛行器以及智能機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)中；鳥(niǎo)類(lèi)視覺(jué)成像系統(tǒng)在我國(guó)目前處于初級(jí)階段，本文的設(shè)計(jì)為后續(xù)的視覺(jué)仿生系統(tǒng)的研究提供了一定的設(shè)計(jì)思路。隨著視覺(jué)仿生成像系統(tǒng)的完善，視覺(jué)仿生技術(shù)將得到更為廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 謝劍斌.視覺(jué)仿生學(xué)原理與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

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[3] Paul R.Yoder，Jr，著.光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].周海憲，程云芳，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：213-279.

[4] Allen W Snyder，William H Miller.Telephoto lens system of falconiform eyes[J].Nature，1978，275（14）：127-129.

[5] King A S，McLelland J.Special sense organs in Birds： Their Structure and Function[J].London，Baillière Tindall， 1984，30（2）：284-314.endprint