蜜蜂的圖像識(shí)別與記憶

白昊東，胡福良

（1.浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310058；2.浙江大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州310058）

動(dòng)物感知周圍環(huán)境變化的一個(gè)重要器官便是眼睛。曾經(jīng)有觀點(diǎn)認(rèn)為只有擁有哺乳動(dòng)物那樣復(fù)雜大腦的生物，才會(huì)擁有識(shí)別復(fù)雜環(huán)境的能力，但是蜜蜂作為一種低等的社會(huì)性昆蟲，它復(fù)雜的視覺系統(tǒng)與大腦中的認(rèn)知功能，顯然超出了人們的預(yù)期。蜜蜂的眼睛是其身上最重要的感知器官，科學(xué)研究[1]發(fā)現(xiàn)，蜜蜂頭部大約有60%的能量被眼睛所消耗，這些能量的消耗為蜜蜂識(shí)別復(fù)雜的環(huán)境提供了基礎(chǔ)。蜜蜂的視覺系統(tǒng)由1對(duì)復(fù)眼和3 只單眼組成，復(fù)眼由4000～5000 只小眼組成。蜜蜂眼中的圖像與哺乳動(dòng)物不盡相同，它們不能獲取多樣的色彩，其眼中的世界僅由黃、綠、藍(lán)3種顏色組成，除此之外，蜜蜂也不能像人類一樣獲得充分的圖像信息，而僅僅能分辨一些簡(jiǎn)單的圖像特征，比如圖像是否對(duì)稱、圖像的空心與實(shí)心，但是最重要的是，蜜蜂可以將這些信息提取、整合，形成一幅具有“蜜蜂”色彩的獨(dú)特畫面，這些識(shí)別與記憶能力也正是蜜蜂對(duì)于圖像識(shí)別與處理所能夠帶來的幫助。

蜜蜂可以被人工飼養(yǎng)、訓(xùn)練，研究人員通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定了蜜蜂感受光譜等各類視覺指標(biāo)，這些數(shù)據(jù)更好地幫助人們認(rèn)識(shí)蜜蜂的視覺系統(tǒng)。蜜蜂的視覺在仿生學(xué)中發(fā)揮了巨大的作用，例如依據(jù)蜜蜂復(fù)眼的偏振光導(dǎo)航儀，這使得飛機(jī)即使在磁羅盤紊亂的情況下也能準(zhǔn)確飛行。

作為人類前沿技術(shù)的縮影，圖像識(shí)別一直是一個(gè)熱門的話題，由此衍生出人臉識(shí)別等具有重要意義的研究方向。蜜蜂作為一種低等的社會(huì)性昆蟲卻展現(xiàn)了驚人的識(shí)別、記憶能力，如果將這種識(shí)別、記憶能力運(yùn)用到圖像識(shí)別領(lǐng)域，那么這個(gè)領(lǐng)域?qū)?huì)快速發(fā)展。

1 蜜蜂的視覺系統(tǒng)

1.1 蜜蜂的眼睛結(jié)構(gòu)

蜜蜂的視覺系統(tǒng)由1 對(duì)復(fù)眼和3 只單眼組成，復(fù)眼由4000～5000 只小眼組成，在兩復(fù)眼之間的是單眼，單眼的作用是用來感受光的強(qiáng)弱。除此之外，在蜜蜂的復(fù)眼背區(qū)，存在一個(gè)特化區(qū)，這個(gè)特化區(qū)正是偏振光導(dǎo)航儀的靈感來源，通過檢測(cè)偏振光，蜜蜂可以控制自己的飛行狀態(tài)，由此來完成采蜜等工作任務(wù)。作為蜜蜂最重要的復(fù)眼，其所承擔(dān)的功能也是最為復(fù)雜的，蜜蜂的色素細(xì)胞、視覺細(xì)胞均存在于這里，在蜜蜂對(duì)事物進(jìn)行觀察時(shí)，通過復(fù)眼，接受來自不同方向的信息，數(shù)千個(gè)小眼將圖形分解成多個(gè)子模塊，蜜蜂所具有的小眼數(shù)目越多，那么圖像也將會(huì)變得更加的清晰[2]。不同的視覺細(xì)胞將這些信息傳遞到視網(wǎng)膜上。人們?cè)谝苿?dòng)時(shí)，事物呈現(xiàn)在視網(wǎng)膜上的圖像也都在運(yùn)動(dòng)，視網(wǎng)膜上圖像的這種運(yùn)動(dòng)即為“視流”。蜜蜂正是根據(jù)“視流”來調(diào)整自己的飛行。最后這些圖形通過視神經(jīng)傳到蜜蜂的大腦中，形成屬于蜜蜂的獨(dú)特圖形。

1.2 蜜蜂的視角與視覺敏銳度

對(duì)于不同的生物，其所具有的視角也是不相同的。對(duì)于蜜蜂來說，因?yàn)槠鋸?fù)眼結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，所以其視角幾乎能達(dá)到360°，這對(duì)于人類來說是不可思議的，這意味著蜜蜂幾乎不用調(diào)整頭部的方向便可以詳細(xì)地觀察到周圍的環(huán)境，但是蜜蜂在飛行過程中并不會(huì)對(duì)所有角度都重視，它們飛行的時(shí)候視角會(huì)集中到頭部前方區(qū)域。對(duì)于蜜蜂來說，它們的視覺距離很短，僅有0.5～0.6 m[3]，這也解釋了為什么蜜蜂幾乎無法看清楚周圍的環(huán)境，它們僅僅能對(duì)周圍環(huán)境特征進(jìn)行分辨。

日常生活中我們發(fā)現(xiàn)蜜蜂可以對(duì)外界的環(huán)境變換進(jìn)行快速的反應(yīng)，這是因?yàn)槊鄯涞囊曈X頻率達(dá)到200 Hz，這意味著1 s 內(nèi)蜜蜂會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境進(jìn)行200 次的動(dòng)態(tài)觀察，所以蜜蜂十分敏感，可以在危險(xiǎn)出現(xiàn)的瞬間做出反應(yīng)。

1.3 蜜蜂的顏色光譜

對(duì)于人類來說，我們的世界是由最基本的三原色組成的，但是對(duì)于蜜蜂來說，它能夠觀察到除了黃、綠、藍(lán)3 種顏色之外的另一種元素——紫外線。雖然對(duì)人類來說這是看不到的，但是蜜蜂卻可以識(shí)別。在研究過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)蜜蜂具有綠、藍(lán)、紫3 種顏色的光感受器，但是卻不能識(shí)別紅色[4]，這就意味著在蜜蜂的眼中，紅色就和黑色一樣，那么為什么蜜蜂可以采摘紅花的花蜜呢？這是因?yàn)槊鄯淇梢酝ㄟ^亮度差來找到紅花。

2 蜜蜂的圖像識(shí)別能力

2.1 蜜蜂的圖像識(shí)別

在長(zhǎng)期的研究過程中，研究人員不斷發(fā)現(xiàn)蜜蜂在圖像識(shí)別領(lǐng)域的特點(diǎn)。蜜蜂雖然不能像人類一樣獲得充分的圖像信息，但它能分辨一些簡(jiǎn)單的圖像特征，比如圖像是否對(duì)稱、圖像的空心與實(shí)心等，除此之外，研究人員還發(fā)現(xiàn)蜜蜂具有抽取圖形的抽象特性[5]，更令人想不到的是蜜蜂可以像人類一樣利用學(xué)會(huì)的特性對(duì)自己從來沒有見過的圖形進(jìn)行分析，這與人類的學(xué)習(xí)過程很相近。例如蜜蜂可以根據(jù)放射特性、對(duì)稱特性等對(duì)圖形進(jìn)行抽取和記憶。雖然蜜蜂的大腦很小，因此在對(duì)復(fù)雜的圖像進(jìn)行處理時(shí)，需要花費(fèi)大量的時(shí)間，但是如果可以將蜜蜂對(duì)于圖形處理的能力加以利用，將會(huì)對(duì)人類產(chǎn)生巨大的幫助。

此外，研究人員使用延遲匹配來測(cè)試蜜蜂聯(lián)想和記憶概念的能力，如圖形和氣味、方向和氣味。結(jié)果表明，蜜蜂不僅可以在視覺通道的不同模塊之間改變“相同”的概念，而且可以在不同的感覺通道（嗅覺和視覺） 中轉(zhuǎn)換“相同”的概念。

2.2 蜜蜂的面孔識(shí)別

人臉識(shí)別是一個(gè)熱門的話題，蜜蜂的圖像識(shí)別能力可以在這個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的影響力。對(duì)昆蟲的面孔識(shí)別進(jìn)行研究，可以幫助人們更好地開發(fā)相關(guān)的程序。我們?cè)谌四樧R(shí)別方面的專長(zhǎng)主要是基于“整體處理”——將不同的面部特征粘在一起，以提供更好的識(shí)別。人類大腦中具有的梭狀回面孔區(qū)[6]，便是提供這種記憶方式的基礎(chǔ)功能區(qū)。但是這種功能區(qū)對(duì)于面孔圖像的處理時(shí)高度特性化的，因此如果將面孔圖形中的部分典型特征進(jìn)行改變，那么人們識(shí)別面孔的能力將下降。這被認(rèn)為是一個(gè)復(fù)雜的認(rèn)知過程，是隨著觀察人臉的經(jīng)驗(yàn)而發(fā)展起來的。

蜜蜂是一種很容易理解視覺處理的動(dòng)物。單獨(dú)的蜜蜂可以通過訓(xùn)練來學(xué)習(xí)復(fù)雜的問題。當(dāng)研究人員用這些原理來測(cè)試這些昆蟲時(shí)，蜜蜂能夠?qū)W習(xí)人類臉部的黑白圖像。盡管這些昆蟲沒有進(jìn)化上的原因來處理人類的面孔，但它們的大腦通過創(chuàng)造復(fù)雜圖像的整體表征來學(xué)習(xí)可靠的識(shí)別。它們將特征放在一起來識(shí)別特定的人臉。如果蜜蜂能夠?qū)θ四樳M(jìn)行識(shí)別，那么為什么還會(huì)攻擊養(yǎng)蜂人呢？這其中的原因，便是蜜蜂的眼睛具有弱光學(xué)敏感度特點(diǎn)，所以蜜蜂要能夠真正地辨別物體和花的細(xì)節(jié)，只能在幾厘米之內(nèi)感覺出來，人的體積超過了蜜蜂的有效辨別范圍。除此之外，蜜蜂的保護(hù)行為也是一個(gè)重要的原因。

蜜蜂小小的大腦至少可以可靠地識(shí)別有限數(shù)量的面孔，如果能夠清楚蜜蜂面孔識(shí)別的機(jī)理，那么人臉識(shí)別技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展。

3 蜜蜂的記憶能力

3.1 蜜蜂的記憶階段

我們往往很好奇，為什么蜜蜂可以準(zhǔn)確地記憶花瓣的位置，怎樣在采蜜的過程中不迷路，這些都與蜜蜂的記憶有著重要的聯(lián)系。記憶與學(xué)習(xí)是智能的基礎(chǔ)，研究人員通過行為實(shí)驗(yàn)的研究，將蜜蜂的記憶階段分為4 個(gè)記憶階段—— 工作記憶、早期記憶、晚期記憶、永久記憶。

其中，工作記憶的持續(xù)時(shí)間很短，大概只有1 min，這個(gè)記憶階段很好地控制著學(xué)習(xí)行為，這種記憶對(duì)于酬賞和遺忘是非常敏感的。早期記憶對(duì)酬賞是不敏感的，但是這種記憶可以被遺忘。晚期記憶對(duì)于有些蜜蜂是不存在的，這種記憶對(duì)遺忘處理不敏感。永久記憶在多次學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)后可以被建立，這種記憶會(huì)一直伴隨蜜蜂，只有經(jīng)過反向才能改變這種記憶。

3.2 蜜蜂記憶模型

蜜蜂的記憶模型包括圖像模型和參數(shù)模型[7]，這2 種模型很好地解釋了蜜蜂的花型記憶、位置記憶、路標(biāo)記憶。

圖像記憶模型認(rèn)為空間頻率是蜜蜂識(shí)別性狀的重要依據(jù)，蜜蜂對(duì)于空間模型高頻成分有很強(qiáng)的自發(fā)偏向，這種空間模型的頻率可以包括圖形的面積、 顏色、線性角度等分布數(shù)據(jù)。

參數(shù)記憶模型是在圖像記憶模型的基礎(chǔ)上提出了空間參數(shù)中重要的2 個(gè)參數(shù)——形狀面積和輪廓密度，依據(jù)這2 個(gè)參數(shù)對(duì)蜜蜂的記憶進(jìn)行分析。

3.3 蜜蜂學(xué)習(xí)記憶能力的差別

雖然蜜蜂具備學(xué)習(xí)和記憶的能力，但是不同個(gè)體的能力存在一定的差別，在學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的過程中，有些蜜蜂并沒有產(chǎn)生永久記憶，這些學(xué)習(xí)能力低的蜜蜂對(duì)于條件刺激的反應(yīng)速度較慢，研究者們認(rèn)為這種低學(xué)習(xí)力的表現(xiàn)主要是因?yàn)槊鄯湓跅l件刺激和非條件刺激之間形成聯(lián)想的能力較低，最初的記憶并沒有隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行轉(zhuǎn)換成永久記憶。

4 結(jié)語

蜜蜂作為人類的朋友，是植物進(jìn)行花粉傳播的媒介，維持生態(tài)平衡，維持植物種類的多樣性，同時(shí)提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量；蜜蜂還提供蜂蜜、蜂膠、蜂王漿等產(chǎn)品，為各項(xiàng)工業(yè)、民用產(chǎn)品提供基礎(chǔ)原材料，保證國(guó)民身體健康?？梢哉f，蜜蜂對(duì)于人類非常重要。蜜蜂在各個(gè)領(lǐng)域都為人類提供著幫助，在人類的各個(gè)產(chǎn)業(yè)中都能發(fā)現(xiàn)蜜蜂的身影。人們往往驚嘆于蜜蜂的識(shí)別和記憶能力，這種能力不僅在生物研究中具有重要意義，在工程研究中也有借鑒作用。如今，人們?cè)诟呖萍技夹g(shù)的幫助下更加地了解了蜜蜂的視覺結(jié)構(gòu)和視覺系統(tǒng)，這些都為相關(guān)理論的建立提供了幫助。

人類對(duì)于蜜蜂的學(xué)習(xí)與了解是有意義的，畢竟每一種生物都是大自然多年來進(jìn)化的產(chǎn)物，每一種生物都具有獨(dú)一無二的瑰麗色彩，而蜜蜂作為其中的代表，必能使我們受益匪淺。