受鳥類啟發(fā):多光譜相機(jī)在動態(tài)環(huán)境中檢測跟蹤更精準(zhǔn)

據(jù)麥姆斯咨詢報道，韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所（IBS）的一個研究項目開發(fā)出一種鈣鈦礦多光譜相機(jī)，其設(shè)計模仿了鳥類的眼睛，增強(qiáng)了在動態(tài)環(huán)境中檢測和跟蹤遠(yuǎn)程物體的能力。該項目的相關(guān)研究成果以“Avian eye–inspired perovskite artificial vision system for foveated and multispectral imaging”為題，發(fā)表在Science Robotics期刊上。

近年來，仿生視覺系統(tǒng)得到了大量研究與應(yīng)用，其動機(jī)是新穎的光學(xué)結(jié)構(gòu)和成像能力。昆蟲的眼睛是一個特別富有成果的來源，例如美國加州大學(xué)洛杉磯分校開發(fā)的模仿蒼蠅眼睛的3D相機(jī)。

韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所的研究項目轉(zhuǎn)而研究鳥類的眼睛，鳥類的視網(wǎng)膜在進(jìn)化過程中形成了中央凹，有助于匯聚入射光并形成目標(biāo)的放大圖像——視錐密度最高的區(qū)域位于中央凹內(nèi)，鳥類能夠通過放大能力清晰地感知遠(yuǎn)處的物體。鳥類需要敏銳的視力來捕獵和感知捕食者，因此眼睛的中央凹特別深。

鳥類眼睛的結(jié)構(gòu)和功能特征

鳥類的眼睛還有四個視錐光感受器，可以對紫外光（UV）以及可見光（RGB）作出反應(yīng)。這種多光譜四色視覺使鳥類能夠獲得豐富的視覺信息，并在動態(tài)環(huán)境中有效地檢測目標(biāo)物體。

“盡管模擬動物視覺的人工視覺系統(tǒng)取得了顯著的進(jìn)展，但是鳥類的眼睛通過中央凹和多光譜成像的卓越物體檢測和瞄準(zhǔn)能力仍未得到充分探索?！表n國基礎(chǔ)科學(xué)研究所的研究人員在其論文中評論道。

該研究項目首先設(shè)計了一種具有高斯分布的人工中央凹，并利用透明彈性體制作了它，以此來模擬鳥類的眼睛。然后將其集成在一組四個垂直堆疊的鈣鈦礦層上，每個鈣鈦礦層通過精細(xì)的帶隙控制對從紫外光（UV）到可見光（RGB）的不同波長做出響應(yīng)。

用于中央凹成像的人工中央凹模塊的光學(xué)模擬

受鳥類眼睛啟發(fā)的相機(jī)：（a）相機(jī)示意圖；（b）人造中央凹；（c）多光譜圖像傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；（d）多光譜圖像傳感器。

快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)處的物體

韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所Jinhing Park評論道：“我們開發(fā)的新的轉(zhuǎn)移工藝來實(shí)現(xiàn)垂直堆疊光電探測器。通過使用之前開發(fā)的鈣鈦礦圖案化方法，我們能夠制造出無需額外濾光片的多光譜圖像傳感器，可以檢測紫外光（UV）和可見光（RGB）?！?/p>

優(yōu)化多光譜圖像傳感器中的各個像素，以實(shí)現(xiàn)無需彩色濾光片的顏色檢測

多光譜圖像傳感器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)

新的相機(jī)設(shè)計旨在克服成像系統(tǒng)的一個關(guān)鍵限制，即中心目標(biāo)物體可能聚焦，但其周圍環(huán)境卻不聚焦。韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所開發(fā)的相機(jī)通過中央凹區(qū)域的放大來感知遠(yuǎn)處物體，并通過外圍區(qū)域感知近處的物體，從而區(qū)分這些區(qū)域中的紫外光（UV）和可見光（RGB）。

根據(jù)韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所的項目介紹，通過比較上述兩個區(qū)域的視野內(nèi)容，受鳥類眼睛啟發(fā)的相機(jī)可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)相機(jī)更強(qiáng)大的運(yùn)動檢測能力。此外，新的相機(jī)更具成本效益且重量更輕，無需添加濾光片等組件即可區(qū)分紫外光（UV）和可見光（RGB）。

使用受鳥類眼睛啟發(fā)的鈣鈦礦多光譜相機(jī)進(jìn)行注視點(diǎn)和多光譜成像演示

在模擬實(shí)驗(yàn)中，新相機(jī)在物體識別中的置信度得分為0.76，據(jù)稱是現(xiàn)有相機(jī)系統(tǒng)置信度得分0.39的兩倍。與現(xiàn)有相機(jī)相比，新相機(jī)的運(yùn)動檢測率也提高了3.6倍，表明對運(yùn)動的靈敏度顯著增強(qiáng)。

使用受鳥類眼睛啟發(fā)的鈣鈦礦多光譜相機(jī)的物體/運(yùn)動檢測能力

韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所Dae-Hyeong Kim評論道：“鳥類的眼睛已經(jīng)進(jìn)化到可以在飛行中快速準(zhǔn)確地檢測遠(yuǎn)處物體。我們研發(fā)的受鳥類眼睛啟發(fā)的相機(jī)可用于需要清晰檢測及跟蹤目標(biāo)物體的領(lǐng)域，例如移動機(jī)器人和自動駕駛汽車等。該相機(jī)在與鳥類生活環(huán)境相似的無人機(jī)上具有巨大的應(yīng)用潛力?！?/p>