基于视觉仿生技术的成像系统设计

冯驰++王佳荣

摘 要：基于生物视觉特性的成像系统设计是视觉仿生领域目前的研究热点。本文设计了两种生物视觉成像系统，分别是昆虫复眼成像系统和鸟类视觉成像系统。其中昆虫复眼成像系统为2×2的阵列光学系统，通过结构设计完成拼接；鸟类视觉成像系统为双光路光学系统，分别模拟了鸟类视网膜上的双中央凹系统。成像质量完好，验证了设计方法的科学性和准确性，具有一定的参考意义和应用前景。

关键词：视觉仿生 成像系统设计 复眼 鸟眼

中图分类号：O439 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）08（c）-0035-03

基于生物视觉特性的成像系统设计称为视觉仿生技术，视觉仿生技术是通过模仿生物视觉机制来改善和实现成像系统功能的一种仿生技术。从体育赛事中常用的“鹰眼”运动轨迹测量是回放系统到在摄影和投影领域应用广泛的鱼眼镜头，都展示了视觉仿生学独特的优势和价值。例如：美国、英国在多种民用和军用设备上均采用了如蝇复眼的视觉仿生技术。大量的研究成果表明，视觉仿生技术的应用前景不可小觑。目前，国内在生物视觉机理及仿生技术方面的研究较多的是昆虫、蛙、龙虾、鸟类等动物的视觉系统以及人眼的视觉系统，主要研究目的是通过模仿生物的独特的视觉机制，进一步改进和完善计算机视觉系统的功能[1]。

1 视觉仿生成像系统的设计

1.1 昆虫复眼成像系统设计

通常昆虫都会有一对与大脑的视觉中枢紧密相连的复眼。在光学上，每个小眼相当于一个小透镜，复眼可以看作是由小眼规则排列的一个多透镜的阵列。根据复眼结构，复眼可分为4种类型，分别是并列型复眼、折射重叠型复眼、反射重叠型复眼和神经重叠型复眼[1]。目前以并列型复眼与重叠型复眼光学系统的设计为学者们的研究重点，尤其仿生复眼光学系统在激光雷达、成像制导、微型飞行器以及智能机器人视觉系统中的应用前景不容小觑。

本文设计了一种并列型复眼成像系统，每个小眼对应一个接收器，以2×2的透镜阵列模拟昆虫复眼的大视场特性，完成视场拼接[2]。其中小眼的成像系统参数为：波长λ为905nm，视场角2w为0.6°，通光口径D为40mm，小眼系统焦距f为47.27mm，会聚接收后的光斑半径最大为250μm，选用的透镜材料为K9玻璃。小眼系统的二维光路图如图1所示。

由于小眼接收系统的视场角较小，可以采用直接拼接的方法，光学系统能够最大面积地接收到光信号的同时，又能减少重叠区。小眼系统的透镜组由一个物镜和一个目镜组成，需要将物镜切割成正方形，再将方形物镜直接拼接在一起。相邻的方形物镜的视场会有重叠，因此，在设计目镜镜座安装的小孔时必须区分开角度，保证每个孔与水平和垂直方向均偏离0.3°。相邻的方形物镜的视场会有重叠，因此，在设计目镜镜座安装的小孔时必须区分开角度。为使整个阵列仿生复眼的空间视场能够很好的拼接在一起，需将镜片切割成正方形拼接成一个圆的外切方形[3]，如下图2所示。整体的昆虫复眼成像系统的结构装配图如图3所示，以2×2的阵列方式模拟了昆虫并列型复眼的成像系统，成像质量完好。

1.2 鸟类视觉成像系统设计

鸟类的视觉相当发达，它们的眼睛除了有上下眼睑之外还有瞬膜[4]。与哺乳动物不同的是，鸟类的眼睛还可以做到近视和远视瞬间调节。高空飞行的猛禽有很好的运动视觉处理系统，它们的眼睛具有很大的视场角，还可以做到近视和远视瞬间调节[5]。因此，猛禽的眼睛是鸟类视觉系统中比较特殊的一种是视觉系统，在跟踪与定位、高分辨率成像和运动深度处理等领域都有借鉴意义。

本文模拟设计了一种猛禽的单眼成像系统，这种鸟的眼睛相较于人眼的单中央凹，它具有两处光感受器密集区域，从而拥有卓越的视觉分辨率，视觉分辨力超过100cycles/degree。根据研究，人眼中央凹处的神经元密度只有38000/mm2，而猛禽的神经元密度高达人眼的2倍。这也是它在高空中能够看清地面或者树上的猎物的原因之一。因此，基于其单目视觉系统的特性，采用双光路光学系统模拟其视觉光学系统。主要的设计参数如下：波长为可见光波段，F數为5，探测器接收面为1/2in，正中央凹系统的视场为±16°，侧中央凹系统的视场为±2°。

经过优化设计后，双光路系统均采用8片镜片，均采用常见玻璃，二维光路图如图4所示。通过像差校正后的光学系统的成像质量完。正中央凹系统的焦距为11.2mm，侧中央凹系统的焦距为68.7mm。各视场在100lp/mm在处的调制传递函数可达0.5以上，符合成像要求，具有远距离、大视场、能量集中度高等优点。

2 结语

基于视觉仿生技术，本文设计了两种成像系统，分别是昆虫复眼成像系统和鸟类视觉成像系统。其中昆虫复眼光学系统可以应用在激光雷达、成像制导、微型飞行器以及智能机器人视觉系统中；鸟类视觉成像系统在我国目前处于初级阶段，本文的设计为后续的视觉仿生系统的研究提供了一定的设计思路。随着视觉仿生成像系统的完善，视觉仿生技术将得到更为广泛的应用。

参考文献

[1] 谢剑斌.视觉仿生学原理与应用[M].北京：科学出版社，2013.

[2] 曹慧丰.光学复眼设计与研究[D].长春：长春理工大学，2009.

[3] Paul R.Yoder，Jr，著.光机系统设计[M].周海宪，程云芳，译.北京：机械工业出版社，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