仿复眼视觉系统的研究进展

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第３５卷
第３期
光
学
仪
器
Ｖｏ１．３５，Ｎｏ．３
２０１３年６月
ＯＰＴＩＣＡＬＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ
Ｊｕｎｅ，２０１３
文章编号：１Ｏ０５ — ５６３Ｏ（２０１３）Ｏ３ — ００８９ — ０６
绍了复眼的生物机理、成像特性及现有的大视场成像系统；其次介绍了微透镜阵列的仿复眼光学设计现状，分析了微透镜阵列的大视角与多景深的全景成像质量，指出目前曲面微透镜一体化制造存在的成像缺陷；最后提出结合曲面与平面微透镜阵列实现大视角、多景深分辨率的仿
复眼系统的可行性。该成像系统不仅可以实现全景范围内的清晰成像，而且还具有全景范围内
的目标位置估计能力。
关键词：仿生光学；人工视觉；复眼；微透镜阵列；全景图
中图分类号：ＴＨ７４文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５ — ５６３０．２０１３．０３．０１８
（１．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＢｉｏ－ｉｎｓｐｉｒｅｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄＳｕｒｆａｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ
ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｗｈｉｃｈｉｓｕｎｒｅｓｔｈｅａｂｉｌｉｔｙｏｆｆａｓｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎｎｄａｌｏｃａｔｉｏｎｏｎｏｂｓｔａｃｌｓｅｎｄａｐｒｅｄａｔｏｒｓ．Ｔｈｅｓｅｃｈａｒａｃｔｅｉｓｒｔｉｃｓｈａｖｅｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｒｅｏｇｃｎｉｚｅｄｉｎｓｅｖｅｒｌａｒｅｓｅａｒｃｈｉｆｅｌｄｓ，ｓｕｃｈａｓｒｏｂｏｔｖｉｓｕａｌｎａｉｇｖａｉｔｏｎ，ｏｂｓａｃｔｌｅａｖｏｉｄａｎｃｅ，ｍａｃｈｉｎｅｉｓｖｉｏｎ，ｇｕｉｄｅｄｍｉｓｓｉｌｅＦｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｉａｇｍｉｎｇｆｅａｔｕｒｅｓ，ｎｄａｔｈｅｅｘｉｓｔｅｄｌａｒｇｅｉｆｅｌｄｖｉｓｕａｌｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｏｍｐｃｏｎｄｕｅｙｅｓｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｄ；ｅｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｐｉｔｃａｌｓｙｓｔｅｍｓｄｓｉｅｇｎｄ、ｅｔｈｍｉｃｒｏｌｅｓｎａｒｒａｙｉｉｔｍａｔｉｏｎｆｒｏｍｃｏｍｐｏｕｎｄｅｙｅｓ，ｔｈｅｐａｎｏｒａｍｉｃｉｍａｇｅ
ＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｍｉｎｇ２１００１６，Ｃｈｉｎａ；
２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａＮｉｇｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ
Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎａｒｔｉｆｉｃｉａｌｖｉｓｕａｌｓｙｓｔｅｍｉｎｓｐｉｒｅｄｂｙｃｏｍｐｏｕｎｄｅｙｅｓ
ＸＩＮＧＱｉａｎｇ ¨，ＤＡＩＺｈｅｎｄｏｎｇ，ＷＡＮＧＨａｏ
仿复眼视觉系统的研究进展＊
邢强ｈ，戴振东，王
２．南京航空航天大学机电学院，江苏南京
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
浩
２１００１６；２１００１６）
（１．南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所，江苏南京
摘要：复眼是昆虫重要的光感受器，由成千上万的小眼构成，具有大视野的动目标快速检测能力。仿复眼的多孔径系统在机器人视觉导航、大视角测量和全景成像等领域应用广泛。首先介
ＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，ＮａＮｉｎｇ２１００１６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｐｏｕｎｄｅｙｅｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｓｅｎｓｏｒｓｉｎｉｎｓｅｃｔｓ，ｗｈｉｃｈｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆ
ｔｈｏｕｓａｎｄｓｏｆｏｍｍａｔｉｄｉａ．Ｔｈｅｏｍｐｃｏｎｄｕｅｅｙｉｓｃｈａｒａｃｔｅｉｒｚｅｄａｓｍｕｌｔｉ－ａｅｒｐｔｕｒｅｉｍａｇｉｎｇａｎｄｆａｓｔｐａｒｌｌａｅｌ

起舞弄“光影”——北京理工大学青年研究员曹杰和他的光电事业

起舞弄“光影”——北京理工大学青年研究员曹杰和他的光电事业作者：暂无来源：《科学中国人》 2020年第11期马梦珂在自动化工厂里，机器臂正有条不紊地进行分割、拣选、包装等一系列复杂操作，动作娴熟、精准；经过一道道工序的货品被装上物流运输车，车内没有司机，向着工厂几十公里外的货运站驶去，按规定路线完成日常配送……当下，机器视觉、智能制造和无人驾驶等悄无声息地渗透到人们的日常生活中。

作为普通大众，多数人关注到的是生活效率的提升，殊不知这些智能化背后有一双特殊的“眼睛”日渐锐利。

它就是扮演辅助角色的视觉感知系统，更准确一些可以称之为仿生视觉光电智能成像技术。

大视场、高分辨率、实时性，是机器视觉永无止境的追求。

通俗来讲，就是让机器看得更广阔、清晰，反应更灵敏，三者也是智能制造、无人驾驶等行业的对光电感知的共性趋势。

北京理工大学光电学院副研究员曹杰所在团队顺应时代风向，长久以来研究的正是这件关乎未来智能科技的大事。

看得到的成长收获与光电成像传感技术打交道9年多，曹杰很少让自己松弛下来。

尤其当下，他正处于埋头上进的阶段，身体似乎包裹着用不完的精力。

他坦言，自己一周的时间，回家的次数不多，在实验室待到凌晨一两点是家常便饭。

不过幸好家人支持，让他有更多宝贵的时间去搞研发、做实验。

采访过程中，他讲话语速稍快，胜在逻辑清晰。

“我们先介绍仿生视觉，再讲激光三维成像，最后是两者结合……”围绕专业工作的话匣子一旦打开，曹杰放松不少，偶尔还能开几句玩笑。

比如，在课题组里，自己原本是学机电出身，搞光学研究称得上“半路出家”，压根儿没想到日后会继续读博以及选择光电方向。

他本科就读于南京师范大学，大学结束后并没有萌生深造的想法，反倒是工作1年后才考取桂林电子科技大学，攻读硕士学位。

回顾那段经历，曹杰表示当时参与了不少项目和科技竞赛，一定程度上提升了自身的工程动手能力。

“那会儿参与的项目是以产学研为背景的，直接和公司对接，了解厂家的需求。

仿蝇复眼视觉系统中大视场图像的拼接

ｅｆｒｎｅａｄｉｒｆｃｅｔａｈｒｉｏａｍｅｈｄ．ｐｒｏａｃｎｓｍｏｅｅｆｉｎｈｎｔｅｔｄｔｎｔｏｓｍｉｔａｉｌ
Ｋｅｒｓｂｏｉｃｍｐｕｄｅｅｍａｅｍｏａｃａｇｅｄｏｉｗｙｗｏｄ：ｉｎｃｏｏｎｙ；ｉｇｓｉ；ｌｒｅｆｌｆｅｉｖ
Ｃｎ－ｉｇＡＩＭｅｇｙｏｌｆｕｏｔｎＮｎｉｇＵｉｅｓｙｏｒｎｕｉｎｓｒｎｕｃ，ａｊｇ２０１，ｈｎ）Ｓｈｏｔｍａｉ，ａｊｎｖｒｉｆｏａｔｓａｄＡｔａｔｓＮｎｉ１０６ＣｉａｏＡｏｎｔＡｅｃｏｉｎ
・０引言
昆虫单眼小，场也小，由数目众多的单眼组成的复视但
图像拼接技术主要包括图像配准和图像融合２个关键
环节。现有的几种图像融合方法效果差别不大，且耗时也
眼则比人眼要开阔。受昆虫复眼的启发，本文设计一种仿生复眼视觉系统，模仿昆虫复眼的视觉机理，提出一种直接
蔡梦颖，徐贵力
（南京航空航天大学自动化学院，江苏南京２０１）１０６
摘
要：针对现有图像拼接算法难以满足实时性的要求，仿蝇复眼的视觉机理，模设计一种仿生复眼视觉
系统，用多个摄像头模仿蝇复眼中的小眼，提出直接拼接算法，各个摄像头获得的图像进行合成，对形成一大视场图像。实验证明：在保证图像拼接质量的同时，直接拼接算法消耗的时间仅为传统的图像拼接方法

昆虫的复眼视觉系统解析

昆虫的复眼视觉系统解析昆虫作为地球上数量最多、种类最丰富的生物之一，拥有独特而强大的感知能力。

其中，昆虫的复眼视觉系统被认为是它们感知世界的重要工具之一。

本文将对昆虫的复眼视觉系统进行解析，并探讨其在昆虫生活中的重要性。

一、昆虫的复眼结构昆虫的复眼是一种特殊的视觉器官，由许多个简单的眼单元组成。

每个眼单元都包含一个光感受器和一个光学透镜。

这些眼单元紧密排列在昆虫的复眼表面上，形成了复杂而多样的结构。

二、昆虫的复眼视觉特点1. 视野广阔：由于昆虫的复眼由众多眼单元组成，每个眼单元具有一定的视野范围，因此昆虫的复眼视野通常要比人类的单眼视野广阔得多。

2. 动态感知能力强：昆虫的复眼能够对快速移动的物体进行有效的感知，这使得昆虫在捕食、逃避掠食者等行为中具有明显的优势。

3. 极高的时间分辨率：昆虫的复眼能够以非常高的时间分辨率感知光的变化。

这使得它们能够迅速响应外界环境的变化，并做出相应的行动。

三、昆虫复眼的视觉信息处理昆虫的复眼不仅能够感知外界的光线，还能对光线的方向、强度等信息进行处理和解析。

这一过程主要依赖于昆虫复眼内部的神经网络和脑部结构。

复眼所接收到的光信号会通过神经元网络传递至昆虫的大脑，然后经过复杂的信息处理，进一步被解析成昆虫能够理解和利用的形象。

四、昆虫复眼视觉在昆虫生活中的应用昆虫的复眼视觉系统在昆虫的生活中发挥着重要的作用，如下所示：1. 寻找食物和花朵：昆虫的复眼能够帮助它们准确地定位食物和花朵的位置，以满足其能量和营养的需求。

2. 避免危险：昆虫的复眼能够感知到潜在的威胁并进行快速反应，使昆虫能够及时逃离危险。

3. 繁殖行为：昆虫的复眼视觉系统对于配偶选择和繁殖行为也起到了重要的作用。

例如，雄性昆虫可以通过对雌性昆虫颜色和形态的感知来判断其繁殖潜力。

4. 地标导航：昆虫的复眼能够帮助它们识别和记忆地标，以便在复杂的环境中准确导航。

五、昆虫复眼视觉系统的启示昆虫复眼视觉系统的独特特点和功能给我们带来了一定的启示：1. 多样性与适应性：昆虫复眼视觉系统的多样性和适应性使得昆虫能够在各种复杂的环境中生活和繁衍。

视觉仿生的应用例子

视觉仿生的应用例子
1. 哇塞，你看那电子鹰眼，这可是视觉仿生的超酷应用例子啊！它就像老鹰的眼睛一样锐利，能够精准地锁定目标，在机场安检等领域大显身手呢，多厉害呀！
2. 嘿，你们知道吗，仿照青蛙眼睛原理制造的电子蛙眼也是一绝呢！它超级灵敏，就像是青蛙在捕捉害虫时的精准，在交通监控中发挥着重要作用啊，这是不是很神奇？
3. 哎呀呀，还有仿照昆虫复眼结构的全景相机呢！那拍摄效果简直和昆虫的视觉一样神奇啊，它能拍摄出超广角度的照片，这在一些特殊摄影领域可太有用啦，难道不是吗？
4. 哇哦，仿照海豚声纳系统的水下探测设备也是视觉仿生的厉害应用呀！就如同海豚在海洋中自由穿梭时的敏锐感知，能在水下探测中大展神威呢，是不是很牛？
5. 嘿呀，仿照变色龙眼睛可制造了能快速变焦的摄像机呢！这不就像变色龙瞬间改变自己的颜色一样厉害嘛，让我们的拍摄变得更加便捷和有趣，简直太赞啦！
6. 讲真的，仿照鱼类侧线的水流感应装置也是超棒的！就如同鱼儿在水中能敏锐感知水流变化一样，它在水利工程中发挥着大作用呢，这得多神奇呀！
7. 哇，仿照鸟类视觉的导航系统简直太绝啦！就好像鸟儿在天空中自由翱翔还不会迷路，这种导航系统在很多领域都很有帮助呢，真的太让人惊叹啦！
我的观点结论就是视觉仿生的应用真是太广泛太神奇啦，给我们的生活带来了很多的惊喜和便利呀！。

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