白昊東，胡福良

（1.浙江大學機械工程學院，浙江 杭州 310058；2.浙江大學動物科學學院，浙江 杭州310058）

動物感知周圍環(huán)境變化的一個重要器官便是眼睛。曾經(jīng)有觀點認為只有擁有哺乳動物那樣復雜大腦的生物，才會擁有識別復雜環(huán)境的能力，但是蜜蜂作為一種低等的社會性昆蟲，它復雜的視覺系統(tǒng)與大腦中的認知功能，顯然超出了人們的預期。蜜蜂的眼睛是其身上最重要的感知器官，科學研究[1]發(fā)現(xiàn)，蜜蜂頭部大約有60%的能量被眼睛所消耗，這些能量的消耗為蜜蜂識別復雜的環(huán)境提供了基礎。蜜蜂的視覺系統(tǒng)由1對復眼和3 只單眼組成，復眼由4000～5000 只小眼組成。蜜蜂眼中的圖像與哺乳動物不盡相同，它們不能獲取多樣的色彩，其眼中的世界僅由黃、綠、藍3種顏色組成，除此之外，蜜蜂也不能像人類一樣獲得充分的圖像信息，而僅僅能分辨一些簡單的圖像特征，比如圖像是否對稱、圖像的空心與實心，但是最重要的是，蜜蜂可以將這些信息提取、整合，形成一幅具有“蜜蜂”色彩的獨特畫面，這些識別與記憶能力也正是蜜蜂對于圖像識別與處理所能夠帶來的幫助。

蜜蜂可以被人工飼養(yǎng)、訓練，研究人員通過實驗測定了蜜蜂感受光譜等各類視覺指標，這些數(shù)據(jù)更好地幫助人們認識蜜蜂的視覺系統(tǒng)。蜜蜂的視覺在仿生學中發(fā)揮了巨大的作用，例如依據(jù)蜜蜂復眼的偏振光導航儀，這使得飛機即使在磁羅盤紊亂的情況下也能準確飛行。

作為人類前沿技術的縮影，圖像識別一直是一個熱門的話題，由此衍生出人臉識別等具有重要意義的研究方向。蜜蜂作為一種低等的社會性昆蟲卻展現(xiàn)了驚人的識別、記憶能力，如果將這種識別、記憶能力運用到圖像識別領域，那么這個領域?qū)焖侔l(fā)展。

1 蜜蜂的視覺系統(tǒng)

1.1 蜜蜂的眼睛結構

蜜蜂的視覺系統(tǒng)由1 對復眼和3 只單眼組成，復眼由4000～5000 只小眼組成，在兩復眼之間的是單眼，單眼的作用是用來感受光的強弱。除此之外，在蜜蜂的復眼背區(qū)，存在一個特化區(qū)，這個特化區(qū)正是偏振光導航儀的靈感來源，通過檢測偏振光，蜜蜂可以控制自己的飛行狀態(tài)，由此來完成采蜜等工作任務。作為蜜蜂最重要的復眼，其所承擔的功能也是最為復雜的，蜜蜂的色素細胞、視覺細胞均存在于這里，在蜜蜂對事物進行觀察時，通過復眼，接受來自不同方向的信息，數(shù)千個小眼將圖形分解成多個子模塊，蜜蜂所具有的小眼數(shù)目越多，那么圖像也將會變得更加的清晰[2]。不同的視覺細胞將這些信息傳遞到視網(wǎng)膜上。人們在移動時，事物呈現(xiàn)在視網(wǎng)膜上的圖像也都在運動，視網(wǎng)膜上圖像的這種運動即為“視流”。蜜蜂正是根據(jù)“視流”來調(diào)整自己的飛行。最后這些圖形通過視神經(jīng)傳到蜜蜂的大腦中，形成屬于蜜蜂的獨特圖形。

1.2 蜜蜂的視角與視覺敏銳度

對于不同的生物，其所具有的視角也是不相同的。對于蜜蜂來說，因為其復眼結構的獨特性，所以其視角幾乎能達到360°，這對于人類來說是不可思議的，這意味著蜜蜂幾乎不用調(diào)整頭部的方向便可以詳細地觀察到周圍的環(huán)境，但是蜜蜂在飛行過程中并不會對所有角度都重視，它們飛行的時候視角會集中到頭部前方區(qū)域。對于蜜蜂來說，它們的視覺距離很短，僅有0.5～0.6 m[3]，這也解釋了為什么蜜蜂幾乎無法看清楚周圍的環(huán)境，它們僅僅能對周圍環(huán)境特征進行分辨。

日常生活中我們發(fā)現(xiàn)蜜蜂可以對外界的環(huán)境變換進行快速的反應，這是因為蜜蜂的視覺頻率達到200 Hz，這意味著1 s 內(nèi)蜜蜂會對周圍的環(huán)境進行200 次的動態(tài)觀察，所以蜜蜂十分敏感，可以在危險出現(xiàn)的瞬間做出反應。

1.3 蜜蜂的顏色光譜

對于人類來說，我們的世界是由最基本的三原色組成的，但是對于蜜蜂來說，它能夠觀察到除了黃、綠、藍3 種顏色之外的另一種元素——紫外線。雖然對人類來說這是看不到的，但是蜜蜂卻可以識別。在研究過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)蜜蜂具有綠、藍、紫3 種顏色的光感受器，但是卻不能識別紅色[4]，這就意味著在蜜蜂的眼中，紅色就和黑色一樣，那么為什么蜜蜂可以采摘紅花的花蜜呢？這是因為蜜蜂可以通過亮度差來找到紅花。

2 蜜蜂的圖像識別能力

2.1 蜜蜂的圖像識別

在長期的研究過程中，研究人員不斷發(fā)現(xiàn)蜜蜂在圖像識別領域的特點。蜜蜂雖然不能像人類一樣獲得充分的圖像信息，但它能分辨一些簡單的圖像特征，比如圖像是否對稱、圖像的空心與實心等，除此之外，研究人員還發(fā)現(xiàn)蜜蜂具有抽取圖形的抽象特性[5]，更令人想不到的是蜜蜂可以像人類一樣利用學會的特性對自己從來沒有見過的圖形進行分析，這與人類的學習過程很相近。例如蜜蜂可以根據(jù)放射特性、對稱特性等對圖形進行抽取和記憶。雖然蜜蜂的大腦很小，因此在對復雜的圖像進行處理時，需要花費大量的時間，但是如果可以將蜜蜂對于圖形處理的能力加以利用，將會對人類產(chǎn)生巨大的幫助。

此外，研究人員使用延遲匹配來測試蜜蜂聯(lián)想和記憶概念的能力，如圖形和氣味、方向和氣味。結果表明，蜜蜂不僅可以在視覺通道的不同模塊之間改變“相同”的概念，而且可以在不同的感覺通道（嗅覺和視覺） 中轉(zhuǎn)換“相同”的概念。

2.2 蜜蜂的面孔識別

人臉識別是一個熱門的話題，蜜蜂的圖像識別能力可以在這個領域產(chǎn)生巨大的影響力。對昆蟲的面孔識別進行研究，可以幫助人們更好地開發(fā)相關的程序。我們在人臉識別方面的專長主要是基于“整體處理”——將不同的面部特征粘在一起，以提供更好的識別。人類大腦中具有的梭狀回面孔區(qū)[6]，便是提供這種記憶方式的基礎功能區(qū)。但是這種功能區(qū)對于面孔圖像的處理時高度特性化的，因此如果將面孔圖形中的部分典型特征進行改變，那么人們識別面孔的能力將下降。這被認為是一個復雜的認知過程，是隨著觀察人臉的經(jīng)驗而發(fā)展起來的。

蜜蜂是一種很容易理解視覺處理的動物。單獨的蜜蜂可以通過訓練來學習復雜的問題。當研究人員用這些原理來測試這些昆蟲時，蜜蜂能夠?qū)W習人類臉部的黑白圖像。盡管這些昆蟲沒有進化上的原因來處理人類的面孔，但它們的大腦通過創(chuàng)造復雜圖像的整體表征來學習可靠的識別。它們將特征放在一起來識別特定的人臉。如果蜜蜂能夠?qū)θ四樳M行識別，那么為什么還會攻擊養(yǎng)蜂人呢？這其中的原因，便是蜜蜂的眼睛具有弱光學敏感度特點，所以蜜蜂要能夠真正地辨別物體和花的細節(jié)，只能在幾厘米之內(nèi)感覺出來，人的體積超過了蜜蜂的有效辨別范圍。除此之外，蜜蜂的保護行為也是一個重要的原因。

蜜蜂小小的大腦至少可以可靠地識別有限數(shù)量的面孔，如果能夠清楚蜜蜂面孔識別的機理，那么人臉識別技術將進一步發(fā)展。

3 蜜蜂的記憶能力

3.1 蜜蜂的記憶階段

我們往往很好奇，為什么蜜蜂可以準確地記憶花瓣的位置，怎樣在采蜜的過程中不迷路，這些都與蜜蜂的記憶有著重要的聯(lián)系。記憶與學習是智能的基礎，研究人員通過行為實驗的研究，將蜜蜂的記憶階段分為4 個記憶階段—— 工作記憶、早期記憶、晚期記憶、永久記憶。

其中，工作記憶的持續(xù)時間很短，大概只有1 min，這個記憶階段很好地控制著學習行為，這種記憶對于酬賞和遺忘是非常敏感的。早期記憶對酬賞是不敏感的，但是這種記憶可以被遺忘。晚期記憶對于有些蜜蜂是不存在的，這種記憶對遺忘處理不敏感。永久記憶在多次學習實驗后可以被建立，這種記憶會一直伴隨蜜蜂，只有經(jīng)過反向才能改變這種記憶。

3.2 蜜蜂記憶模型

蜜蜂的記憶模型包括圖像模型和參數(shù)模型[7]，這2 種模型很好地解釋了蜜蜂的花型記憶、位置記憶、路標記憶。

圖像記憶模型認為空間頻率是蜜蜂識別性狀的重要依據(jù)，蜜蜂對于空間模型高頻成分有很強的自發(fā)偏向，這種空間模型的頻率可以包括圖形的面積、 顏色、線性角度等分布數(shù)據(jù)。

參數(shù)記憶模型是在圖像記憶模型的基礎上提出了空間參數(shù)中重要的2 個參數(shù)——形狀面積和輪廓密度，依據(jù)這2 個參數(shù)對蜜蜂的記憶進行分析。

3.3 蜜蜂學習記憶能力的差別

雖然蜜蜂具備學習和記憶的能力，但是不同個體的能力存在一定的差別，在學習實驗的過程中，有些蜜蜂并沒有產(chǎn)生永久記憶，這些學習能力低的蜜蜂對于條件刺激的反應速度較慢，研究者們認為這種低學習力的表現(xiàn)主要是因為蜜蜂在條件刺激和非條件刺激之間形成聯(lián)想的能力較低，最初的記憶并沒有隨著實驗的進行轉(zhuǎn)換成永久記憶。

4 結語

蜜蜂作為人類的朋友，是植物進行花粉傳播的媒介，維持生態(tài)平衡，維持植物種類的多樣性，同時提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量；蜜蜂還提供蜂蜜、蜂膠、蜂王漿等產(chǎn)品，為各項工業(yè)、民用產(chǎn)品提供基礎原材料，保證國民身體健康。可以說，蜜蜂對于人類非常重要。蜜蜂在各個領域都為人類提供著幫助，在人類的各個產(chǎn)業(yè)中都能發(fā)現(xiàn)蜜蜂的身影。人們往往驚嘆于蜜蜂的識別和記憶能力，這種能力不僅在生物研究中具有重要意義，在工程研究中也有借鑒作用。如今，人們在高科技技術的幫助下更加地了解了蜜蜂的視覺結構和視覺系統(tǒng)，這些都為相關理論的建立提供了幫助。

人類對于蜜蜂的學習與了解是有意義的，畢竟每一種生物都是大自然多年來進化的產(chǎn)物，每一種生物都具有獨一無二的瑰麗色彩，而蜜蜂作為其中的代表，必能使我們受益匪淺。