模仿生物視覺的凝視紅外成像全向感知技術

日期：2010-09-03 15:58:20

人類活動所需信息的90%來自視覺。所謂“眼觀四路”，系指人們期望實現視覺的“全向感知”。盡管人眼是一種性能優異的光學傳感器，但即使在白天，如果眼球不轉動，其觀察（即“凝視”）景物的范圍（視場角）通常僅為前向46°。這個角空域只占全角空域（4πsr.）的4%，即盲區占96%。借助眼球轉動，可在前向約140°范圍內有效獲取視覺信息。若要觀察更大范圍的景物，就須擺頭或轉動身體。因擺頭或轉體需要一定的時間，因而會降低視覺信息的實時性。

同樣在白天，近水面魚類卻能凝視水面之上半球空域（即視場角可達180°），“全向感知”一定距離內的場景信息。由于眼球不必轉動，更無須擺頭或轉體，這使之贏得了時間，可有效應對來自水面之上任意方向的威脅。如何把水下魚類的上述視覺功能用工程方法仿造，并且晝夜都能實現這種全向實時的態勢感知和目標信息提取？這就是“紅外魚眼光學”的研究內容。

近20年來，作為仿生學的一個重要分支，“紅外魚眼光學”研究在國際上悄然興起，其關鍵技術有哪些？國際先進水平如何？有什么實用意義？國內情況怎樣？軍械工程學院王永仲教授應邀撰寫的《模仿生物視覺的凝視紅外成像全向感知技術》一文可供您參考。該文發表于《科學通報》2010年第19期。

論文闡述了上述研究的應用背景，指出現行紅外設備的某些技術缺陷，以及由此產生的應用局限。研究表明，模仿生物視覺的紅外成像設備可以突破現行技術的上述局限，實現嚴格意義上的“全向”“實時感知”，從而建立光電裝備的一種新體制，探索光電偵測的新途徑。

作者綜述了美國的紅外魚眼光學研究概況：1997年由著名學者R.E.Fischer主持，啟動此研究；2001年制成具有初步視覺功能的“微小型紅外成像應用開發系統”樣機（MIRIADS）；從2002年起，由空軍主持開展地—空測試和摸底試驗；2005年美國和歐洲公布L.G.Cook的相應發明專利；同年，此技術首先應用于民航機載，防止在客機起飛和降落時遭遇地—空導彈攻擊；2006年起，海軍在SBIR計劃中支持該技術的艦載應用。

作者的同類工作從1988年起步，1995年公開發表自行設計的實用型中波紅外魚眼，比L.G.Cook的上述發明早十年。所研制的“仿生微小型紅外成像探測系統BMIRIDS”從1998年走向試用，比美國MIRIADS早3年，2003年獲中國發明專利，比美國和歐洲同類專利早2年。此后的工作是改進性能，拓展應用。

以上情況表明，國內的此項研究與國際先進水平相當。論文首次闡述了模仿生物視覺功能的數理基礎和工程實現技術，這些功能包括：近水面魚類凝視半球空域的功能、從場景中提取動目標、對目標定向、感知目標距離和速度的功能，以及人眼感知場景亮度的對數變換屬性、圖像灰度對比感知恒定特征和目標輪廓強化效應等。

作者依據自身實踐，指出了紅外魚眼設計的特殊難點及攻克關鍵技術的思路與方法。

實踐證明，此研究的突出意義是實現全時日（晝夜）、全方位（無盲區）的實時態勢感知和信息獲取，在天文氣象、環境監測、公安邊防、航空航天等領域有廣闊應用前景。美國國防部將其列為“可極大地增強維和部隊和作戰人員能力”、“能帶來重大回報”的研究領域，可見其軍事意義之一斑。