《仿鹰眼视觉以及应用》摘抄、让人工智能生物科技赋能人类目光更敏锐（一）

2024-02-24 09:32阅读：

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从上个世纪八十年代初开始，MTaTT 提出视觉信息处理框架以来，光学系统多以传统的计算机视觉理论为指导。经过多年来的发展逐渐成熟完善。但在面临复杂的自然环境时，光照遮挡图像分辨等因素的影响，导致目标特征不稳定。许多视觉任务（如物体边缘的检测、空间位置估计、运动跟踪以及目标探测与识别等）。对于计算机来说仍然是个亟待克服的难题。而复杂的目标检测和识别问题对于生物视觉系统来说，却是非常简单的任务。仿生视觉技术是一种从生物视觉系统作用机理出发，模拟构建的相似功能和结构的技术手段。早在20世纪50年代，生物学家们开始研究生物视觉生理机制，通过一些生理学实验发现了生物大脑的初级视觉皮层。在各种各样的视觉信息处理功能的细胞，由此也拉开了对生物视觉系统——的机理和仿生技术研究序幕。
仿生物视觉机理研究较多的是人、鹰、蝇、蛙以及鱼等生物的视觉系统。对比数据可以看出，鹰眼在生理结构和功能特点上与其他生物眼睛有着明显差异。不同生物的视觉系统在视网膜结构市场范围、运动敏感性上明显不同，这是由生物的生存环境和捕食需求差等所决定的。
生物视觉系统生理结构及功能特点对比
类别 | 生理结构及功能特点

——————————————————————————————————————— （1）2个中央凹，正中央凹和侧中央凹
（2）光感受器（感光细胞）密集
鹰眼 （3）大视场
（4）睫状肌发达，可以迅速变焦
（5）对运动、对比度、颜色等特征敏感—————————————————————————————————————
（1）1个中央凹
（2）视场较小
人眼（3）光感受器相对较小
（4）晶体状体呈扁圆形———————————————————————————————————————— 蝇眼（1）复眼结构（2）大视场（3）无调节能力（4）视觉短 ———————————————————————————————————————— （1）晶体状为圆球形（2）运动目标感知能力强（3）能准确判断目标的位置
蛙眼 运动方向和速度（4）对弱小目标及静止目标不敏感 ———————————————————————————————————————— 鱼眼（1）晶状体多为圆球形（2）大视场，只能看到较近的物体——————————————————————————————————————
在所有的动物中鹰的视觉系统首屈一指，具有灵敏度高，视场大探测距离远识别精度高等优点。人眼为球状单眼，由视网膜、晶状体、睫状肌等部分组成，光线经过角膜、晶状体后聚焦到视网膜上，在人眼的视网膜中只有一个黄斑区，是视力最敏感区。人视觉系统各种视觉特性由视网膜上各层神经细胞（如负责视觉和色觉的锥细胞）的活动信息处理的机制决定。
平行向前的双目结构使得人眼具有立体感知特点。视场范围为180。蝇眼为复眼结构，由许多简单的小眼有规律地组成。蝇眼通常由3000多块小眼组成。小眼视觉虽然简单，但组成的复眼却能出色完成各种视觉检测任务。每只小眼都是一个探测器，具有一定的探测角度，组合起来的复眼呈两个半球对称分布在头部两侧，因此具有较大的视场范围。由于小眼的特殊结构和分布特点，蝇眼不能通过肌肉调节感知方向和实现变焦功能，视距较短。蛙眼具有圆球形结构的晶体，视野开阔，同时蛙眼具有独特的视网膜结构，其神经细胞分成多类，具有不同的分之属性。其中一类只对颜色特征有反应，其余则对运动目标的某个特征有反应，并且能分别选取相应的特征响应输送到大脑视觉中枢进行进一步的特征处理。蛙眼的这种生理结构可将复杂的图像信号分解成不同的的易于判断的特征信号，从而提高目标检测的准确性和效率。也正是由于这种特殊结构特点，蛙眼对运动目标感知能力强可判断出目标位置，运动方向和效率。运动方向和速度，但对静止物体反而不敏感。鱼眼通常位于头部的正侧，由于大多没有眼睑而不能开合。其视觉调节靠晶状体位置的前后移动，而不是靠改变晶状体的凸度。鱼眼的视场范围较大，单眼对视场角可达180。鱼眼晶状体为圆球形。由于其部分功能退化，视距较短，只能看到很近的东西。
猛禽是鸟类生态群中重要的类群。包括鹰、雕、鹞、鹗、隼、鹈鹕、等次级生态类群，为掠食性鸟类，食物链顶端。
仿生视觉技术与系统
人们对光学成像系统要求越来越高。如导航系统、微型广角系统、监视设备、内窥镜等领域，要求整个系统体积小，重量轻、视场大以及灵敏高。传统的光学元件微透镜的焦距唯一，限制了光学成像过程中图像信息的获取。只能对单一景深处的目标物清晰成像，严重丢失了不同景深范围内的目标的信息。不利于对未知不同距离处的目标进行探测。仿生学属于生物科学与技术科学之间的交叉学科，涉及生物学、生物物理学、生物化学、物理学、控制论、工程学等多个学科领域。近年来，人工智能技术研究不断深入，并对工程应用领域获得诸多突破。国务院早在2017年发布的《新一代人工智能计划发展规划》要求新一代人工智能相关学科发展理论建模、技术创新，软硬件升级等整体推进，正在引发链式突破。推动经济社会各领域从数字化、网络化向智能化加速跃升。在移动互联网、大数据、超级计算机、传感间、脑科学等新理论、新技术以及社会经济发展的高速需求驱动下，人工智能呈现出深度学习、人机协同、跨界融合、群智开放、自主操控等新的特征，成为了人工智能核心基础理论人工智能化的重要基础。
西北工业大学李言俊等通过仿生技术方法，将蝇复眼、和人眼视觉系统的信息处理技术应用于成像制导系统；上海大学郑丽丽等研制出嵌入式基于仿生控制的仿生眼球系统。该系统可以识别出运动中目标并计算出目标位置参数。通过串口发给眼动控制模块；东京工业大学张晓林根据人眼生理解刨结构，研制了单眼和双眼实眼装置。用两组广角镜和望远镜作为仿生双眼。其中望远镜模拟中央凹视觉、广角镜模拟周边视觉；美国东北大学Pavel等人和上海大学张丽微等将仿生视觉系统和技术应用于航空航天领域，实现航天飞机和旋翼无人机飞行器着陆任务。
根据鱼眼原理制成鱼眼镜头是一种视场角接近或超过180的短焦距超广角镜头。当从镜头的前镜片到物体的距离较小时，仍然可以提供对物体的完整视图。这种镜头的前镜片直径很短，呈抛物状，向镜头前部凸出和鱼眼相似。鱼眼镜头在使用中往往存在镜头畸变。主要分为径向畸变、偏心畸变和薄棱镜畸变。为了将鱼眼镜头的实际成像恢复成理想像点，要建立理想像点和畸变图像对应像点间的关系。即对畸变进行几何校正。畸变几何校正主要方法有映射法、镜纬度法、比例缩放法和支持向量机回归算法。鱼眼镜头能够获得很多特殊成像效果。在广告中拍摄大场面有独特应用。特别适用于拍摄圆形景物。基于鱼眼镜头的球幕电影院放映视场接近180，使观众感到自己彷佛置身所放映的自然场景中，在我们的太空站航天飞机等重要区域安装鱼眼式摄像机还能完全无盲区实现监视摄像和记录月球、星空、宇宙探测器利用鱼眼拍摄AR实景，商业价值巨大。
　　１９６７年，美国无线电公司应用研究实验室heyschey和HeheM用电子线路研制了由七层部件构成的并联线路组成蛙的视网膜模型。而我国中科院谢剑斌等在研究出蛙眼视觉行为的基础上发明了一种电子枪，自动射击向预定方向运动目标，而当目标反向运动则不射击。此外烟雾检测仪也是仿蛙眼原理设计的装置。根据蛙眼分别抽取图像特征识别特定目标的视觉原理构造，蛙眼视觉感知模型，像蛙眼一样，把目标区域分解成几种易于辨认的特征。经过多特征融合快速准确地识别出视野中的特定目标，有效地预定搜索目标，从而敏锐迅速地定位烟雾区域。
（基于此原理在军事公安侦破领域在被袭击处可以安装蛙眼监视器，可以迅速锁定发出袭击狙击的准确方位区域数据，可以准确即使的予以回击。借以回击隐蔽地点。）
对昆虫复眼研究早期工作是从现象学和行为力学两个角度开展的。如麻省理工学院开展了家蝇视觉飞行跟踪和视动反应行为的试验。近些年来对昆虫复眼研究主要从模拟复眼成像系统和模拟复眼视觉系统所具有快速定位功能两方面进行的。美国丹佛大学根据神经功能提出了检测“细胞模型”，德国浪禾费应用光学应用和精密机械研究所科研人员制造了一种厚度仅为0、4mm,视角可达70X10的人工复眼。成像系统。中国科学院生物物理研究所在贝时璋院士的指导下，开展了昆虫复眼的仿生学研究，研制出了平板型复眼透镜。西北大学高爱华等设计出了基于聚焦平面微透镜陈列和CCD器件的多孔径光学仿复眼系统，实现了并列型复眼图像采集功能。利用平面微透镜陈列的多重成像模拟并列型复眼的“镶嵌像”。天津大学李文元等采用计算机技术与生物科学结合方法，研制了模拟昆虫复眼的视觉系统。北京理工大学王永松等根据复眼视场原理，开发了一个由6个CCD组成的轴线共面正六边的环形探测陈列，并实现探测单元的360全视场。
其实这些都是几年前公布在学术期刊的资料。如果在欧美日等国家早就形成系列工业产品应用于工业医疗科研军事国防领域。而在国内由于科研经费申报迟迟落不了地。这些科研成果如果实现不了生产力和经济效益，怎能够有大量的科研经费投入呢？将人工复眼技术由科研院校实验室与传感器电子芯片，计算机聚焦、纠偏定位结合在一起，应用于现实生产生活上，何必坐等上级拨发的科研经费呢？这点其实就是我国科研体制的大问题。

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