基于視覺仿生技術的成像系統設計

馮馳++王佳榮

摘 要：基于生物視覺特性的成像系統設計是視覺仿生領域目前的研究熱點。本文設計了兩種生物視覺成像系統，分別是昆蟲復眼成像系統和鳥類視覺成像系統。其中昆蟲復眼成像系統為2×2的陣列光學系統，通過結構設計完成拼接；鳥類視覺成像系統為雙光路光學系統，分別模擬了鳥類視網膜上的雙中央凹系統。成像質量完好，驗證了設計方法的科學性和準確性，具有一定的參考意義和應用前景。

關鍵詞：視覺仿生 成像系統設計 復眼 鳥眼

中圖分類號：O439 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）08（c）-0035-03

基于生物視覺特性的成像系統設計稱為視覺仿生技術，視覺仿生技術是通過模仿生物視覺機制來改善和實現成像系統功能的一種仿生技術。從體育賽事中常用的“鷹眼”運動軌跡測量是回放系統到在攝影和投影領域應用廣泛的魚眼鏡頭，都展示了視覺仿生學獨特的優勢和價值。例如：美國、英國在多種民用和軍用設備上均采用了如蠅復眼的視覺仿生技術。大量的研究成果表明，視覺仿生技術的應用前景不可小覷。目前，國內在生物視覺機理及仿生技術方面的研究較多的是昆蟲、蛙、龍蝦、鳥類等動物的視覺系統以及人眼的視覺系統，主要研究目的是通過模仿生物的獨特的視覺機制，進一步改進和完善計算機視覺系統的功能[1]。

1 視覺仿生成像系統的設計

1.1 昆蟲復眼成像系統設計

通常昆蟲都會有一對與大腦的視覺中樞緊密相連的復眼。在光學上，每個小眼相當于一個小透鏡，復眼可以看作是由小眼規則排列的一個多透鏡的陣列。根據復眼結構，復眼可分為4種類型，分別是并列型復眼、折射重疊型復眼、反射重疊型復眼和神經重疊型復眼[1]。目前以并列型復眼與重疊型復眼光學系統的設計為學者們的研究重點，尤其仿生復眼光學系統在激光雷達、成像制導、微型飛行器以及智能機器人視覺系統中的應用前景不容小覷。

本文設計了一種并列型復眼成像系統，每個小眼對應一個接收器，以2×2的透鏡陣列模擬昆蟲復眼的大視場特性，完成視場拼接[2]。其中小眼的成像系統參數為：波長λ為905nm，視場角2w為0.6°，通光口徑D為40mm，小眼系統焦距f為47.27mm，會聚接收后的光斑半徑最大為250μm，選用的透鏡材料為K9玻璃。小眼系統的二維光路圖如圖1所示。

由于小眼接收系統的視場角較小，可以采用直接拼接的方法，光學系統能夠最大面積地接收到光信號的同時，又能減少重疊區。小眼系統的透鏡組由一個物鏡和一個目鏡組成，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會有重疊，因此，在設計目鏡鏡座安裝的小孔時必須區分開角度，保證每個孔與水平和垂直方向均偏離0.3°。相鄰的方形物鏡的視場會有重疊，因此，在設計目鏡鏡座安裝的小孔時必須區分開角度。為使整個陣列仿生復眼的空間視場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圓的外切方形[3]，如下圖2所示。整體的昆蟲復眼成像系統的結構裝配圖如圖3所示，以2×2的陣列方式模擬了昆蟲并列型復眼的成像系統，成像質量完好。

1.2 鳥類視覺成像系統設計

鳥類的視覺相當發達，它們的眼睛除了有上下眼瞼之外還有瞬膜[4]。與哺乳動物不同的是，鳥類的眼睛還可以做到近視和遠視瞬間調節。高空飛行的猛禽有很好的運動視覺處理系統，它們的眼睛具有很大的視場角，還可以做到近視和遠視瞬間調節[5]。因此，猛禽的眼睛是鳥類視覺系統中比較特殊的一種是視覺系統，在跟蹤與定位、高分辨率成像和運動深度處理等領域都有借鑒意義。

本文模擬設計了一種猛禽的單眼成像系統，這種鳥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域，從而擁有卓越的視覺分辨率，視覺分辨力超過100cycles/degree。根據研究，人眼中央凹處的神經元密度只有38000/mm2，而猛禽的神經元密度高達人眼的2倍。這也是它在高空中能夠看清地面或者樹上的獵物的原因之一。因此，基于其單目視覺系統的特性，采用雙光路光學系統模擬其視覺光學系統。主要的設計參數如下：波長為可見光波段，F數為5，探測器接收面為1/2in，正中央凹系統的視場為±16°，側中央凹系統的視場為±2°。

經過優化設計后，雙光路系統均采用8片鏡片，均采用常見玻璃，二維光路圖如圖4所示。通過像差校正后的光學系統的成像質量完。正中央凹系統的焦距為11.2mm，側中央凹系統的焦距為68.7mm。各視場在100lp/mm在處的調制傳遞函數可達0.5以上，符合成像要求，具有遠距離、大視場、能量集中度高等優點。

2 結語

基于視覺仿生技術，本文設計了兩種成像系統，分別是昆蟲復眼成像系統和鳥類視覺成像系統。其中昆蟲復眼光學系統可以應用在激光雷達、成像制導、微型飛行器以及智能機器人視覺系統中；鳥類視覺成像系統在我國目前處于初級階段，本文的設計為后續的視覺仿生系統的研究提供了一定的設計思路。隨著視覺仿生成像系統的完善，視覺仿生技術將得到更為廣泛的應用。

參考文獻

[1] 謝劍斌.視覺仿生學原理與應用[M].北京：科學出版社，2013.

[2] 曹慧豐.光學復眼設計與研究[D].長春：長春理工大學，2009.

[3] Paul R.Yoder，Jr，著.光機系統設計[M].周海憲，程云芳，譯.北京：機械工業出版社，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