墨魚(yú)眼睛啟發(fā)的人工視覺(jué)，可在不均勻的照明條件下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量成像

人工視覺(jué)可以在移動(dòng)機(jī)器人中發(fā)揮關(guān)鍵作用，包括自動(dòng)駕駛汽車(chē)，以監(jiān)控周?chē)h(huán)境并檢測(cè)接近的物體以避免碰撞，這可以部分或完全替代在不斷變化的光線條件下易受傷害的人類(lèi)視覺(jué)。對(duì)于此類(lèi)應(yīng)用，物體的高可檢測(cè)性很重要，這通常需要高對(duì)比度和高敏銳度的成像系統(tǒng)?；谙鄼C(jī)的視覺(jué)系統(tǒng)因其低成本、小尺寸和單次圖像捕獲能力，支持圖像檢測(cè)。然而，有限的圖像對(duì)比度，特別是在垂直不均勻的照明條件下，由于上視野中的強(qiáng)烈陽(yáng)光散射和從周?chē)ＡП砻娣瓷涞碾S機(jī)偏振太陽(yáng)光噪聲，嚴(yán)重阻礙了高質(zhì)量成像，從而導(dǎo)致物體可檢測(cè)性低。而汽車(chē)駕駛員可以通過(guò)遮陽(yáng)板和太陽(yáng)鏡物理阻擋強(qiáng)烈的上部陽(yáng)光并減輕偏振噪音。這有用于移動(dòng)機(jī)器人和自動(dòng)駕駛汽車(chē)的人工視覺(jué)系統(tǒng)利用基于軟件的方法來(lái)解決這種不利的光照條件。然而，系統(tǒng)應(yīng)處理的大量視覺(jué)信息需要很高的計(jì)算能力和能耗。因此，需要適當(dāng)?shù)挠布鉀Q方案來(lái)處理非均勻的光條件，最大限度地減少偏振光噪聲，并減少數(shù)據(jù)處理量。

同時(shí)，自然界中的視覺(jué)系統(tǒng)激發(fā)了具有獨(dú)特功能的人工視覺(jué)系統(tǒng)的發(fā)展。例如，水生和兩棲動(dòng)物已經(jīng)進(jìn)化到具有針對(duì)其棲息地優(yōu)化的眼睛，這些都激發(fā)了各種人工視覺(jué)系統(tǒng)。受魚(yú)眼全景成像能力的啟發(fā)，開(kāi)發(fā)了由單中心透鏡和半球形硅納米棒光電二極管陣列組成的小型化寬視場(chǎng)（FOV）成像系統(tǒng)。受象鼻魚(yú)（Gnathonemus petersii）的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，它可以增強(qiáng)在低光條件下收集的光強(qiáng)度，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種由微量光收集器組成的光敏增強(qiáng)劑。受螳螂蝦（如齒趾蝦）的高光譜和極化成像策略的啟發(fā)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種由偏振敏感有機(jī)光電探測(cè)器和折疊聚合物緩凝劑組成的圖像傳感器。受生活在潮間帶地區(qū)的提琴蟹（Uca arcuata）的扁平角膜微透鏡和柄眼結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種具有360°FOV的全天候成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)由多層扁平微透鏡和球形硅光電二極管陣列組成。盡管為開(kāi)發(fā)各種生物啟發(fā)的人工視覺(jué)系統(tǒng)做出了這樣的努力，但尚未開(kāi)發(fā)出一種可以平衡垂直不均勻照明，同時(shí)在由于隨機(jī)偏振陽(yáng)光的高噪聲條件下實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度和敏銳度的系統(tǒng)。

在這種情況下，墨魚(yú)（棕褐色屬）已經(jīng)進(jìn)化為具有針對(duì)垂直不均勻照明和偏振光檢測(cè)優(yōu)化的高敏銳度視覺(jué)系統(tǒng)（分別為圖1，A和B），激發(fā)了移動(dòng)機(jī)器人的高性能人工視覺(jué)。墨魚(yú)具有獨(dú)特的眼睛結(jié)構(gòu)，由W形瞳孔（圖2A i），單個(gè)球形晶狀體（圖2A ii）和彎曲的視網(wǎng)膜（圖2A iii）組成，具有高密度帶狀感光器區(qū)域（圖2B）和偏振敏感光感受器（圖2B，右插圖）。在白天，獨(dú)特的W形瞳孔通過(guò)平衡垂直不均勻的照明使墨魚(yú)具有高對(duì)比度的視力（圖1A，紅色虛線區(qū)域）。視網(wǎng)膜中的高密度帶狀感光器區(qū)域允許其感興趣區(qū)域（ROI）具有高視力（圖1A，ii與i）。這種帶狀感光器分布是檢測(cè)地平線附近接近物體的最佳選擇。此外，光感受器的水平或垂直堆疊的微絨毛允許墨魚(yú)通過(guò)提取從目標(biāo)物體反射的偏振光并過(guò)濾掉隨機(jī)偏振的背景噪聲來(lái)有效地識(shí)別偽裝的獵物（圖1B，ii與i），從而增強(qiáng)視覺(jué)對(duì)比度。

受墨魚(yú)視覺(jué)系統(tǒng)這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和功能特征的啟發(fā)，研究人員提出了一種人工視覺(jué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在垂直不均勻的照明條件下實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度和高敏銳度成像，以實(shí)現(xiàn)高性能人工視覺(jué)，從而有望在移動(dòng)機(jī)器人中應(yīng)用。人工視覺(jué)系統(tǒng)中的W形瞳孔通過(guò)減少垂直FOV頂部的入射光來(lái)補(bǔ)償不均勻的垂直光分布。此外，圓柱形硅光電二極管陣列（c-Si-PDA）包括高密度帶狀像素區(qū)域，可在ROI中實(shí)現(xiàn)高敏銳度成像。集成在c-Si-PDA表面的柔性碳納米管（CNT）-偏振膜（FCPF）在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)保持~78%的平均偏振度，從而實(shí)現(xiàn)偏振敏感成像。通過(guò)集成這些光學(xué)和電子元件，開(kāi)發(fā)了一種人工視覺(jué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以平衡不均勻的光分布，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度和敏銳度。

論文信息：
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.ade4698

審核編輯 ：李倩