大約2400年前，希臘哲學(xué)家柏拉圖吹捧他的信念，即我們的眼睛通過發(fā)射光束來工作。雖然肯定是一個創(chuàng)新的想法，但它是不正確的，但它說明了早期對研究光學(xué)現(xiàn)象的癡迷，這些現(xiàn)象將我們帶到了現(xiàn)在：受生物學(xué)啟發(fā)的人工視覺系統(tǒng)。

為我們的硬件提供視覺已經(jīng)為自動駕駛汽車、物體檢測和作物監(jiān)測等領(lǐng)域的大量應(yīng)用提供了支持，但與動物不同，合成視覺系統(tǒng)不能簡單地在自然棲息地中進(jìn)化。因此，可以在陸地和水上導(dǎo)航的動態(tài)視覺系統(tǒng)尚未為我們的機(jī)器提供動力——來自麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能實(shí)驗(yàn)室(CSAIL)、光州科學(xué)技術(shù)研究所(GIST)和首爾國立大學(xué)的頂尖科學(xué)家韓國，以開發(fā)一種新穎的人工視覺系統(tǒng)，該系統(tǒng)與招潮蟹的視覺非常相似，可以應(yīng)對兩種地形。

這種半陸生物種——被親切地稱為召喚蟹，因?yàn)樗坪跤镁薮蟮淖ψ诱惺?mdash;—具有兩棲成像能力和極寬的視野，因?yàn)樗挟?dāng)前的系統(tǒng)都僅限于半球形。

人造眼睛類似于一個球形的、基本上不倫不類的小黑球，通過混合處理和理解光的材料來表達(dá)其輸入的意義。科學(xué)家們將一組具有漸變折射率分布的平面微透鏡和一個靈活的光電二極管陣列結(jié)合起來，該陣列具有包裹在3-D球形結(jié)構(gòu)上的梳狀圖案。這種配置意味著來自多個光源的光線將始終會聚在圖像傳感器上的同一點(diǎn)上，而不管其周圍環(huán)境的折射率如何。

通過對具有不同距離和方向的五個物體進(jìn)行成像，在空中和水中的實(shí)驗(yàn)中測試了兩棲和全景成像能力，該系統(tǒng)在陸地和水中都提供了一致的圖像質(zhì)量和幾乎360°的視野環(huán)境。含義：它可以在水下和陸地上看到，以前的系統(tǒng)僅限于一個域。

“我們的系統(tǒng)可用于開發(fā)非常規(guī)應(yīng)用程序，例如在不斷變化的環(huán)境中進(jìn)行全景運(yùn)動檢測和避障，以及增強(qiáng)和虛擬現(xiàn)實(shí)。目前，通常用于智能手機(jī)、汽車和監(jiān)控/監(jiān)控攝像頭的半導(dǎo)體光學(xué)單元的尺寸在實(shí)驗(yàn)室層面受到限制，”GIST電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授YoungMinSong說。

“然而，借助三星和SK海力士等圖像傳感器制造商的技術(shù)，可以克服技術(shù)限制，開發(fā)出比目前制造的成像性能更好的更小相機(jī)。我們期待通過這款新概念圖像傳感器的生產(chǎn)，提升國內(nèi)系統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)水平。”

感覺脾氣暴躁

說到招潮蟹，有很多東西見仁見智。由于水下和陸地上的生命，在它們巨大的爪子后面，存在著強(qiáng)大的獨(dú)特視覺系統(tǒng)。它們平坦的角膜，加上漸變的折射率，可以抵消由外部環(huán)境變化引起的散焦效應(yīng)——對于其他復(fù)眼來說，這是一個壓倒性的限制。這些小生物還具有3D全向視野，來自橢圓體和莖眼結(jié)構(gòu)。它們已經(jīng)進(jìn)化到幾乎可以同時觀察所有事物，以避免對開闊的灘涂的攻擊，并與伴侶交流和互動。

仿生相機(jī)并不新鮮——2013年，《自然》雜志報道了一種模仿昆蟲復(fù)眼的寬視場(FoV)相機(jī)，2020年，出現(xiàn)了一種模仿魚眼的寬視場(FoV)相機(jī)。雖然這些相機(jī)可以一次捕捉大面積區(qū)域，但在結(jié)構(gòu)上很難超過180度，最近，具有360度FoV的商業(yè)產(chǎn)品開始發(fā)揮作用。

但是，這些可能很笨重，因?yàn)樗鼈儽仨毢喜膬蓚€或多個相機(jī)拍攝的圖像，并且要擴(kuò)大視野，您需要一個具有復(fù)雜配置的光學(xué)系統(tǒng)，這會導(dǎo)致圖像失真。當(dāng)周圍環(huán)境發(fā)生變化(例如在空中和水下)時，保持聚焦能力也具有挑戰(zhàn)性——因此有動力去尋找會召喚的螃蟹。

螃蟹被證明是一個值得的繆斯女神。五個不同距離的可愛物體(海豚、飛機(jī)、潛艇、魚和船)從不同角度投射到人工視覺系統(tǒng)上。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多激光點(diǎn)成像實(shí)驗(yàn)，人造圖像與模擬相匹配。他們將設(shè)備半浸入容器中的水中以深入。

這項(xiàng)工作的邏輯擴(kuò)展包括研究受生物啟發(fā)的光適應(yīng)方案，以尋求更高分辨率和卓越的圖像處理技術(shù)。

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