仿生型機(jī)器視覺研究

收稿日期：2008-01-15；修回日期：2008-03-21

基金項(xiàng)目：河南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(0611052900); 河南省杰出人才創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(521000100)

作者簡介：毛曉波（1965-），男，河南開封人，教授，碩導(dǎo)，博士研究生，主要研究方向?yàn)榉律蜋C(jī)器視覺研究、復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及其應(yīng)用（mail-mxb@zzu.edu.cn）；陳鐵軍（1954-），男，教授，博導(dǎo)，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜系統(tǒng)控制理論及其應(yīng)用

（鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，鄭州 450001）

摘 要：在深入分析人類眼球的神經(jīng)機(jī)理、運(yùn)動(dòng)形式和特點(diǎn)及人類視覺神經(jīng)通路的基礎(chǔ)上，

從模擬人類眼球運(yùn)動(dòng)構(gòu)筑仿生機(jī)器眼和模擬人類視覺感知機(jī)理應(yīng)用于機(jī)器視覺兩個(gè)方面，探討了視覺仿生研究的方式方法、研究進(jìn)展、應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢(shì)。提出了采用復(fù)雜系統(tǒng)控制方法構(gòu)建多自由度仿生型機(jī)器人雙眼運(yùn)動(dòng)模型的思路，分析了人眼固視微動(dòng)機(jī)制的綜合利用和應(yīng)用價(jià)值以及超人眼系統(tǒng)的研究設(shè)想等新的視覺仿生研究方向。

關(guān)鍵詞：視覺仿生；眼球運(yùn)動(dòng)；視覺通路；神經(jīng)機(jī)制；人類視覺

中圖分類號(hào)：TP24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-3695(2008)10-2903-03

Study on bionic machine vision

MAO Xiao-bo ， CHEN Tie-jun

(School of Electrical Engineering， Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China)

Abstract:On the basis of analyzing the human oculomotor neural mechanism， oculomotor forms and its characteristics as well as visual neural pathway in detail， this paper introduced the research method， research progress， application prospect and development tendency of vision bionics research from two aspects of simulating human oculomotor to build biomimetic eye and applying visual perception to machine vision. Given some new ideas which included setting up muti-dimensional binocular visual motion model， integrated utilization of fixational eye movments and an assumption about superman vision system.

Key words：vision bionics; oculomotor; visual pathway; neural mechanism; human vision

科學(xué)研究和統(tǒng)計(jì)表明，人類從外部世界獲得的信息約有80%~90%來自于視覺系統(tǒng)。對(duì)于人類如何精確地感知和理解豐富多彩的外部世界，視神經(jīng)科學(xué)家已經(jīng)從視網(wǎng)膜信息獲取、視神經(jīng)通路、大腦皮層等各個(gè)方面作了大量的研究，取得了一系列研究成果，為研究視覺系統(tǒng)模型和算法奠定了基礎(chǔ)。研究人類視覺系統(tǒng)至少有兩方面的重大意義：a)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，為眼科臨床提供理論依據(jù)和指導(dǎo)，或用于研制人工視覺器官，如人工視網(wǎng)膜、視覺假體等，為視覺障礙者帶來光明；b)應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域，研究模擬人類視覺功能的機(jī)器視覺系統(tǒng)，即仿生（或仿人）機(jī)器眼，使機(jī)器能夠像人類那樣通過視覺觀察和理解世界。視覺系統(tǒng)是一個(gè)跨學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)，不僅涉及眼的活動(dòng)，還與大腦、小腦、腦干等神經(jīng)活動(dòng)密切相關(guān)。對(duì)于視覺系統(tǒng)，可以從醫(yī)學(xué)、認(rèn)知科學(xué)及信息處理等不同的角度來進(jìn)行研究。本文從人類眼球運(yùn)動(dòng)和視覺通路的神經(jīng)機(jī)制出發(fā)，以控制論和仿生學(xué)的視角探討視覺仿生的研究方法、研究進(jìn)展和發(fā)展思路。

1 眼球運(yùn)動(dòng)神經(jīng)機(jī)制與特性分析

1.1 眼球結(jié)構(gòu)

人類視覺系統(tǒng)包括眼球、視神經(jīng)和視覺中樞。眼球是前端視覺器官，了解其生理解剖結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理對(duì)于眼球運(yùn)動(dòng)的視覺仿生研究至關(guān)重要。眼球位于眼眶內(nèi)，近似球體，前后徑約24 mm；后側(cè)發(fā)出視神經(jīng)與腦相連。從解剖學(xué)角度看，眼球由角膜、鞏膜、虹膜(中央小圓孔為瞳孔)、晶狀體、睫狀體、視網(wǎng)膜、脈絡(luò)膜、視神經(jīng)和眼球內(nèi)容物及其他附屬部分組成[1]，如圖1所示。其中瞳孔、角膜和晶狀體、視網(wǎng)膜分別對(duì)應(yīng)于機(jī)器視覺(攝像機(jī))的光圈、透鏡和感光膠片。眼球中大量的內(nèi)容物對(duì)機(jī)器視覺研究無貢獻(xiàn)，不作介紹。

視網(wǎng)膜在眼球臂的最內(nèi)層，由三層細(xì)胞組成。外層為感光細(xì)胞 (包括視錐和視桿細(xì)胞)，中間層為雙極細(xì)胞，內(nèi)層為神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的軸突即為視神經(jīng)纖維，組成視神經(jīng)。視網(wǎng)膜中心有一個(gè)直徑約1~3 mm的黃色區(qū)域稱為黃斑，黃斑的中央下陷稱為中央凹，僅有視錐細(xì)胞，是視力最敏銳的地方。眼球在眼眶中的運(yùn)動(dòng)由六條眼外肌相互協(xié)作、精確控制完成。這六條眼外肌分別是上、下、內(nèi)、外四條直肌和上、下兩條斜肌。眼外肌是由顱神經(jīng)推動(dòng)控制的，顱神經(jīng)指揮眼外肌收縮或松馳。一部分眼外肌收縮時(shí)，另一部分則松馳，眼睛就運(yùn)動(dòng)。其中上直肌、下直肌、內(nèi)直肌和下斜肌由動(dòng)眼神經(jīng)支配；外直肌由外展神經(jīng)支配；上斜肌由滑車神經(jīng)支配。單眼運(yùn)動(dòng)包括上轉(zhuǎn)、下轉(zhuǎn)、內(nèi)轉(zhuǎn)、外轉(zhuǎn)和內(nèi)旋、外旋運(yùn)動(dòng)。

1. 2 雙眼協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)形式及特性分析

人的雙眼不像雙手、雙臂等器官可以左右各自獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。原因在于來自兩個(gè)視網(wǎng)膜的神經(jīng)以半交叉的結(jié)構(gòu)通向左右大腦半球，互相之間有神經(jīng)聯(lián)絡(luò)和約束；雙眼是單個(gè)器官的兩個(gè)部分，中樞神經(jīng)總是發(fā)出一對(duì)信號(hào)控制雙眼。因此，人眼視物是雙目聯(lián)動(dòng)、協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的。雙目視覺不僅補(bǔ)償了單眼視覺存在的盲點(diǎn)和缺陷、擴(kuò)大了視野，而且增加了深度感，產(chǎn)生了立體視覺，并增強(qiáng)了對(duì)物體大小與距離的判斷力。眼球復(fù)雜的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)受中樞神經(jīng)系統(tǒng)支配。額葉是隨意性運(yùn)動(dòng)中樞；枕葉是反射性跟隨運(yùn)動(dòng)中樞；皮層下中樞在中腦動(dòng)眼神經(jīng)核的頂蓋前區(qū)?？催h(yuǎn)方目標(biāo)，雙眼視軸接近平行；看近處目標(biāo)，兩眼集合，集合的高級(jí)中樞在大腦。雙眼運(yùn)動(dòng)的形式如下[1，2]：

a)同向運(yùn)動(dòng)（conjugate movement）。跟蹤左右或上下移動(dòng)的物體，兩眼視軸共軛地向相同方向移動(dòng)，又分為急動(dòng)和平滑跟蹤兩種形式。

(a)急動(dòng)性眼球運(yùn)動(dòng)（saccade），又稱為掃描或眼跳動(dòng)。這是使眼球注視方位突然改變的隨意運(yùn)動(dòng)，其掃描角約為1~40°，持續(xù)時(shí)間在30~120 ms，掃描速度最高約600°/s[1]。中樞神經(jīng)系統(tǒng)通過對(duì)視覺目標(biāo)位置進(jìn)行計(jì)算后發(fā)出控制信號(hào)，通過眼外肌給眼球一定的加速度和作用時(shí)間，使視線很快地切換注視點(diǎn)。眼球急動(dòng)還具有適應(yīng)性，經(jīng)過若干次訓(xùn)練后能自動(dòng)調(diào)節(jié)眼球跳動(dòng)的增益[3]。

(b)平滑跟蹤運(yùn)動(dòng)（smooth pursuit）。它是眼球追蹤低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)的運(yùn)動(dòng)，最大運(yùn)動(dòng)速度約30°/s[2]。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置和速度信息傳入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，控制眼球做一種連續(xù)反饋的伺服運(yùn)動(dòng)，使目標(biāo)物體所成的像始終保持在視網(wǎng)膜的中央凹上，實(shí)現(xiàn)清晰平滑的跟蹤。

b) 異向運(yùn)動(dòng)（vergence movement），又稱聚焦運(yùn)動(dòng)。它使眼聚焦于同一直線上不同景深的物體，跟蹤物體前后、遠(yuǎn)近地移動(dòng)。物體移近時(shí)，兩眼視軸向內(nèi)匯合，做匯聚運(yùn)動(dòng)（convergence movement）；物體移遠(yuǎn)時(shí)，兩眼視軸向外分開，做散開運(yùn)動(dòng)（divergence movement）。

c)固視微動(dòng)（fixational movment）。雙眼注視靜止物體時(shí)，眼球并未靜止，而是在做振幅很小的顫動(dòng)，平均掃視0.2′，約為視錐細(xì)胞直徑的1/2，振動(dòng)頻率達(dá)80~100 Hz[1]。這種自發(fā)的微動(dòng)是人的視覺活動(dòng)所必需的，其目的是為了防止適應(yīng)。因?yàn)橐曈X系統(tǒng)對(duì)不隨時(shí)間改變的刺激會(huì)很快地適應(yīng)，失去反應(yīng)。固視微動(dòng)產(chǎn)生給光—撤光效應(yīng)，視覺細(xì)胞和視中樞才能處于興奮狀態(tài)，保持高度的視敏度。注視物體時(shí)還有另外兩種微小運(yùn)動(dòng)，分別稱為慢漂移和微跳動(dòng)，前者使目標(biāo)逐漸離開中央凹；后者則糾正這個(gè)偏差，跳回中央凹，以保持正確的注視姿態(tài)[4]。

d)反射性眼球運(yùn)動(dòng)（reflex movment）。內(nèi)耳迷路中的三個(gè)半規(guī)管、橢圓囊和球囊組成前庭器官，是人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和頭在空間位置的感受器[1]。人腦正是根據(jù)來自兩側(cè)水平半規(guī)管傳入信號(hào)的不同來判斷頭部是否開始旋轉(zhuǎn)和朝何方向旋轉(zhuǎn)。前庭器官與視覺系統(tǒng)密切相關(guān)，通過刺激前庭系統(tǒng)可誘發(fā)不受大腦控制的反射性眼球運(yùn)動(dòng)。

（a）前庭動(dòng)眼反射（vestibule-ocular reflex）。當(dāng)身體或頭部旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)相反方向的反射性眼動(dòng)，使視線的位置在身體或頭部旋轉(zhuǎn)時(shí)維持不變。

(b)視機(jī)性反射（optokinetic reflex）。前庭反應(yīng)中最特殊的是當(dāng)身體快速旋轉(zhuǎn)或做直線加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的視動(dòng)性眼震，例如，當(dāng)身體向左側(cè)加速旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩眼球先緩慢向右側(cè)移動(dòng)，這稱為眼震的慢動(dòng)相；當(dāng)眼球移到右端不能再移動(dòng)時(shí)，又突然返回正中位置，這稱為眼震的快動(dòng)相。此后再出現(xiàn)新的快慢動(dòng)相，循環(huán)進(jìn)行。當(dāng)旋轉(zhuǎn)突然停止時(shí)，也會(huì)引起眼震，但快慢相方向與上述情況相反。當(dāng)人坐在火車上向外凝視路旁的景物時(shí)也會(huì)發(fā)生這種眼震。這種特性使人眼能夠清晰地跟蹤高速運(yùn)動(dòng)的對(duì)象。

人眼觀察物體時(shí)，往往需要上述多種運(yùn)動(dòng)形式的合成才能實(shí)現(xiàn)清晰觀察和動(dòng)態(tài)跟蹤。

2 人類視覺通路與特性分析

2. 1 視覺通路

視覺信息在大腦中是按照一定的通路即視覺通路進(jìn)行傳遞的。視覺通路主要包括視網(wǎng)膜、視神經(jīng)、視交叉、視束、外側(cè)膝狀體、視放射和視皮層等[2]，如圖2所示。

視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞接收來自外界的信息。其中視桿細(xì)胞感應(yīng)光照條件的變化；視錐細(xì)胞感應(yīng)信息顏色的變化。這些感光細(xì)胞將視網(wǎng)膜上接收的光能轉(zhuǎn)換成神經(jīng)沖動(dòng)，經(jīng)視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞加工，其發(fā)出的纖維(軸突)匯集成視神經(jīng)，入顱后在蝶鞍處形成視交叉。來自雙眼視網(wǎng)膜鼻側(cè)部的纖維在此處互相交叉到對(duì)側(cè)，與同側(cè)未交叉的視網(wǎng)膜顳側(cè)部的纖維合成視束。視束經(jīng)外側(cè)膝狀體中繼，換神經(jīng)元后發(fā)出的纖維形成視放射，再經(jīng)過內(nèi)囊到達(dá)大腦視皮層的不同區(qū)域。目前被普遍接受的Ungerleider和Mishkin的理論認(rèn)為[5，6]，視覺系統(tǒng)中存在兩條通路：一條是視束沿背側(cè)經(jīng)外側(cè)膝狀體（LGN）、初級(jí)視皮層區(qū)域（V1，V2）、中顳葉區(qū)（MT）、后頂葉皮層（PPC），最后到達(dá)背外側(cè)額葉前部皮層（DLPFC），稱為motion或where通路，用來處理動(dòng)作和其他空間信息；另一條沿腹側(cè)經(jīng)外側(cè)膝狀體、初級(jí)視皮層區(qū)域（V1，V2，V4）、下顳葉皮層（IT），最終到達(dá)腹外側(cè)額葉前部皮層（VLPFC），稱為form或what通路，用來形成感受和進(jìn)行對(duì)象識(shí)別。

2. 2 視覺通路特性分析

由視覺通路可見，視網(wǎng)膜、外側(cè)膝狀體和視皮層構(gòu)成了視覺信息處理的三個(gè)基本層次。另外，在大腦主皮層內(nèi)，視覺信息是按照視皮層簡單細(xì)胞—復(fù)雜細(xì)胞—超復(fù)雜細(xì)胞—更高級(jí)的超復(fù)雜細(xì)胞這樣的序列，由簡單到復(fù)雜，由低級(jí)到高級(jí)分級(jí)、分塊進(jìn)行處理的[2]?？梢?，視覺系統(tǒng)是一個(gè)縱向與橫向處理相結(jié)合的復(fù)雜系統(tǒng)。從控制論的角度來看，具有下列特點(diǎn)：

a)閉環(huán)控制機(jī)制。視覺通路中的大部分連接都是雙向的，前向連接往往伴隨著反饋連接。大腦中許多高層區(qū)域具有大量的反饋通路到達(dá)視覺初級(jí)皮層。這些反饋通路的存在被認(rèn)為與人的意識(shí)有關(guān)，其信息處理的許多方面都表現(xiàn)為自底而上和自頂而下的閉環(huán)控制機(jī)制。

b)特征提取機(jī)制。視網(wǎng)膜由光感受細(xì)胞、雙極細(xì)胞和神經(jīng)節(jié)細(xì)胞構(gòu)成。研究表明，多個(gè)光感受細(xì)胞對(duì)應(yīng)一個(gè)雙極細(xì)胞，多個(gè)雙極細(xì)胞又與同一個(gè)神經(jīng)節(jié)細(xì)胞相聯(lián)系。光感受細(xì)胞接收的外界場(chǎng)景信息，經(jīng)神經(jīng)節(jié)細(xì)胞輸出后只是場(chǎng)景的特征信息，且神經(jīng)節(jié)細(xì)胞僅為感光細(xì)胞的1%以下(中央凹附近除外)?？梢?，在視覺信息傳到大腦之前，視網(wǎng)膜已進(jìn)行了相當(dāng)程度的特征提取，因而大腦只對(duì)外界信息中部分重要的信息作出反應(yīng)并進(jìn)行控制。人眼的這種注意機(jī)制[2]對(duì)研究特征提取、目標(biāo)識(shí)別、跟蹤及信息處理都具有重要的參考價(jià)值。

c)自學(xué)習(xí)機(jī)制。神經(jīng)生理學(xué)研究表明，視覺皮層具有可塑性，通過不斷調(diào)整功能來適應(yīng)重要的刺激從而逐漸形成特異性的腦區(qū)。這種自學(xué)習(xí)、自組織能力使大腦能夠從復(fù)雜的外界刺激中辨別出不變的、本質(zhì)的東西。

3 視覺仿生的研究進(jìn)展

從計(jì)算機(jī)和機(jī)器人誕生之日起，人們就希望給它們裝上“眼睛”，像人類那樣通過視覺觀察和理解世界。攝像機(jī)的出現(xiàn)使機(jī)器初步具備了“眼睛”。目前，機(jī)器視覺的發(fā)展迅猛，已廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、微電子、自動(dòng)駕駛、醫(yī)療、印刷、包裝、軍事等眾多行業(yè)。但目前國內(nèi)機(jī)器視覺的研究多是基于工學(xué)的視角和研究方法，直接從神經(jīng)生理學(xué)和解剖學(xué)的角度出發(fā)，即從分析人類視覺過程的仿生學(xué)方法進(jìn)行的研究還很少。由于人類視覺在視線跟蹤、自適應(yīng)機(jī)制、感知和識(shí)別及信息處理等方面具有先天優(yōu)勢(shì)，開展仿人眼視覺研究意義重大。美國和日本在視覺仿生研究方面處于世界領(lǐng)先地位。

3. 1 雙眼協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)仿生研究

國外從20世紀(jì)80年代開始研制基于生理模型的眼球運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。Robinson、Lisberger等人較早提出了平滑跟蹤運(yùn)動(dòng)模型[4，5]；東京醫(yī)科齒科大學(xué)Wakamatsu等人首先用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法同時(shí)實(shí)現(xiàn)了急動(dòng)、平滑跟蹤和前庭動(dòng)眼反射運(yùn)動(dòng)[6]。之后，美國、日本、英國的大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)在模擬人眼運(yùn)動(dòng)研究方面進(jìn)行了各種嘗試，采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卡爾曼濾波、變結(jié)構(gòu)PID控制器等多種控制方法。具有代表性的是東京工業(yè)大學(xué)張曉林(張研究室)研制的兩套雙眼運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置[7，8]，如圖3所示。該裝置是基于人眼解剖結(jié)構(gòu)和神經(jīng)通路數(shù)學(xué)模型研制而成的，用CCD攝像機(jī)作為眼球、轉(zhuǎn)角和加速度傳感器模擬前庭器官功能，圖像處理和控制模塊的輸出給伺服電機(jī)(眼外肌)發(fā)出指令，控制眼球做各種運(yùn)動(dòng)。圖3(a)實(shí)現(xiàn)了眼球水平運(yùn)動(dòng)的各種功能；(b)的機(jī)械結(jié)構(gòu)可使眼球做三維運(yùn)動(dòng)。但由于數(shù)學(xué)模型是一維的，目前仍只能實(shí)現(xiàn)眼球水平方向運(yùn)動(dòng)，且頭頸部運(yùn)動(dòng)也是一維的。

3. 2 眼球固視微動(dòng)仿生研究

Hubel和Wiesel的視覺感受野（receptive field）理論[9]與固視微動(dòng)機(jī)理相結(jié)合，可用于圖像邊緣檢測(cè)。眼球的微動(dòng)使場(chǎng)景中物體在on-中心型感受野和off-中心型感受野上交替出現(xiàn)；平滑區(qū)域兩種感受野的輸出產(chǎn)生的生理電信號(hào)偏差很小，而在圖像邊緣處產(chǎn)生的偏差很大，突出了邊緣部分。這方面的研究文章不少，但固視微動(dòng)是否還有其他利用價(jià)值卻很少有人問津。張研究室模擬固視微動(dòng)所做的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，提取出來的邊緣寬度與邊緣在場(chǎng)景中的位置，即物體的景深有關(guān)，如圖4所示[10]。左邊物體距離“眼球”115 cm，檢出的縱向邊緣寬度為7 pixel，右邊物體距離“眼球”15cm，檢出的邊緣寬度為10 pixel。這一發(fā)現(xiàn)給立體視覺研究一個(gè)新的啟示。當(dāng)然，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)還只是初步的。

此外，模仿人類眼球運(yùn)動(dòng)的研究內(nèi)容還有眼球運(yùn)動(dòng)的力學(xué)模型及動(dòng)力學(xué)方程、眼動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及在工效學(xué)中的應(yīng)用[3]等。

3. 3 基于視覺感知和信息處理的仿生研究

相對(duì)于眼球運(yùn)動(dòng)仿生研究，基于視覺感知和信息處理的仿生研究則是多方面的。Hubel和Wiesel在視覺研究方面作出了開拓性貢獻(xiàn)，最早提出分級(jí)處理模型[9]。Attneave和Kosslyn等人相繼提出了有效編碼假說[11]、高層視覺加工模型[12]和眼優(yōu)勢(shì)柱模型等。目前，世界著名大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都設(shè)有專門的視覺研究部門，研究內(nèi)容主要有視覺形成的神經(jīng)機(jī)制、人類視覺感知機(jī)制模型、基于人類視覺的特征提取和特征選擇、注意機(jī)制及其在復(fù)雜場(chǎng)景中的目標(biāo)搜索、人類視覺系統(tǒng)多通道傳輸與并行機(jī)制研究等。

4 探索與設(shè)想

1）多自由度眼球控制系統(tǒng)建模與實(shí)現(xiàn)

在視覺神經(jīng)通路和眼球運(yùn)動(dòng)機(jī)制的基礎(chǔ)上，運(yùn)用自適應(yīng)控制、系統(tǒng)辨識(shí)等復(fù)雜控制理論的方法，建立一個(gè)兩眼各三個(gè)自由度、頭頸部多個(gè)自由度的較完善的仿人眼運(yùn)動(dòng)控制模型，實(shí)現(xiàn)目前機(jī)器視覺無法達(dá)到的人眼的各種自然功能，應(yīng)用于機(jī)器人視覺系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)快速跟蹤、自動(dòng)駕駛及安全監(jiān)控系統(tǒng)等。目前國內(nèi)外尚未研制出較完善的仿人眼運(yùn)動(dòng)控制模型。

2）固視微動(dòng)機(jī)制的綜合研究與應(yīng)用

人眼的固視微動(dòng)特性有許多特異性能:a)可防止視網(wǎng)膜的適應(yīng)現(xiàn)象，保持高度的視覺靈敏度；b)高頻眼動(dòng)把一幅靜止的圖像調(diào)制成交流信號(hào)送入視覺通道，具有濾波特性；c)微動(dòng)具有突出物體邊緣的作用且包含深度信息；d)微動(dòng)一旦停止，人眼成像就變得模糊。因此，進(jìn)行固視微動(dòng)機(jī)制的綜合仿生研究，對(duì)于物體邊緣檢測(cè)、立體視覺測(cè)量、提高系統(tǒng)反應(yīng)能力及改善動(dòng)態(tài)圖像清晰度等方面具有積極意義。目前，對(duì)固視微動(dòng)機(jī)制的綜合研究和利用是國內(nèi)外無人探索過的一條思路。

3）超人眼系統(tǒng)的研究設(shè)想

人類視覺系統(tǒng)已進(jìn)化到幾近完美的階段，機(jī)器視覺的研究應(yīng)該多向人類視覺請(qǐng)教。但人類視覺并非完美無缺，機(jī)器(計(jì)算機(jī))視覺也并非一無是處。人類視覺經(jīng)過大腦加工處理才能形成知覺和判斷，在一定條件下，大腦也會(huì)判斷錯(cuò)誤從而產(chǎn)生視覺錯(cuò)誤。大家熟知的視錯(cuò)覺包括長短錯(cuò)覺、大小錯(cuò)覺、平行錯(cuò)覺和彎曲錯(cuò)覺等，而這些錯(cuò)誤在機(jī)器視覺中就不會(huì)發(fā)生。機(jī)器視覺的發(fā)展雖然得益于人類視覺研究的啟示，但其計(jì)算理論與算法的發(fā)展卻相對(duì)獨(dú)立，有些方面不必刻意去模仿人類視覺。例如，人眼急動(dòng)時(shí)掃描角小于40°，掃描速度最高不過600°/s，機(jī)器視覺完全可以突破這些限制；再如，人的雙眼具有聯(lián)動(dòng)性，但這一定是最佳組合模式嗎？雙眼只能注視同一目標(biāo)自然不能“眼觀六路”，二郎神擁有三只眼使其本領(lǐng)出類拔萃；鷹眼的視野比人眼廣闊得多；蜻蜓和蒼蠅的復(fù)眼則具有奇特的成像特點(diǎn)……因此，視覺仿生研究應(yīng)具有開放的思維，在模擬人類視覺的同時(shí)，借鑒其他生物視覺的特點(diǎn)、機(jī)器自身的優(yōu)勢(shì)，并根據(jù)應(yīng)用的需要構(gòu)筑一種“生理”參數(shù)優(yōu)于人類視覺的超人眼視覺系統(tǒng)，將是視覺仿生的理想目標(biāo)。

5 結(jié)束語

人的視覺系統(tǒng)既是一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)和高度完善的信息處理機(jī)，又是一個(gè)高度非線性的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，同時(shí)還是一個(gè)復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。視覺仿生研究涉及神經(jīng)生理學(xué)、醫(yī)學(xué)、控制科學(xué)、仿生學(xué)等多門學(xué)科，是一個(gè)前沿交叉學(xué)科的研究對(duì)象，需要用學(xué)科交叉的方法進(jìn)行研究。本文從視覺的神經(jīng)機(jī)制出發(fā)，對(duì)視覺仿生研究的發(fā)展和前景進(jìn)行了探索。目前，機(jī)器視覺無論從哪方面看都遠(yuǎn)未達(dá)到人類視覺的水平，人類對(duì)自身視覺在更高層次上的機(jī)理也還未完全探明，因此，視覺仿生研究的意義重大，面臨挑戰(zhàn)，任重而道遠(yuǎn)。

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