基于視覺仿生的凝視紅外成像全向感知技術(shù)

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(shí)現(xiàn)視覺的“全向感知”。盡管人眼是一種性能優(yōu)異的光學(xué)傳感器，但即使在白天，如果眼球不轉(zhuǎn)動，其觀察（即“凝視”）景物的范圍（視場角）通常僅為前向46°。這個(gè)角空域只占全角空域（4πsr.）的4%，即盲區(qū)占96%。借助眼球轉(zhuǎn)動，可在前向約140°范圍內(nèi)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(zhuǎn)動身體。因擺頭或轉(zhuǎn)體需要一定的時(shí)間，因而會降低視覺信息的實(shí)時(shí)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(dá)180°），“全向感知”一定距離內(nèi)的場景信息。由于眼球不必轉(zhuǎn)動，更無須擺頭或轉(zhuǎn)體，這使之贏得了時(shí)間，可有效應(yīng)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(shí)現(xiàn)這種全向?qū)崟r(shí)的態(tài)勢感知和目標(biāo)信息提取？這就是“紅外魚眼光學(xué)”的研究內(nèi)容。

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

論文闡述了上述研究的應(yīng)用背景，指出現(xiàn)行紅外設(shè)備的某些技術(shù)缺陷，以及由此產(chǎn)生的應(yīng)用局限。研究表明，模仿生物視覺的紅外成像設(shè)備可以突破現(xiàn)行技術(shù)的上述局限，實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格意義上的“全向”“實(shí)時(shí)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(xué)研究概況：1997年由著名學(xué)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(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)”樣機(jī)（MIRIADS）；從2002年起，由空軍主持開展地—空測試和摸底試驗(yàn)；2005年美國和歐洲公布L.G.Cook的相應(yīng)發(fā)明專利；同年，此技術(shù)首先應(yīng)用于民航機(jī)載，防止在客機(jī)起飛和降落時(shí)遭遇地—空導(dǎo)彈攻擊；2006年起，海軍在SBIR計(jì)劃中支持該技術(shù)的艦載應(yīng)用。

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

以上情況表明，國內(nèi)的此項(xiàng)研究與國際先進(jìn)水平相當(dāng)。

論文首次闡述了模仿生物視覺功能的數(shù)理基礎(chǔ)和工程實(shí)現(xiàn)技術(shù)，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(biāo)、對目標(biāo)定向、感知目標(biāo)距離和速度的功能，以及人眼感知場景亮度的對數(shù)變換屬性、圖像灰度對比感知恒定特征和目標(biāo)輪廓強(qiáng)化效應(yīng)等。

作者依據(jù)自身實(shí)踐，指出了紅外魚眼設(shè)計(jì)的特殊難點(diǎn)及攻克關(guān)鍵技術(shù)的思路與方法。

實(shí)踐證明，此研究的突出意義是實(shí)現(xiàn)全時(shí)日（晝夜）、全方位（無盲區(qū)）的實(shí)時(shí)態(tài)勢感知和信息獲取，在天文氣象、環(huán)境監(jiān)測、公安邊防、航空航天等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。美國國防部將其列為“可極大地增強(qiáng)維和部隊(duì)和作戰(zhàn)人員能力”、“能帶來重大回報(bào)”的研究領(lǐng)域，可見其軍事意義之一斑。