基于视觉仿生的凝视红外成像全向感知技术

基于视觉仿生的凝视红外成像全向感知技术

人类活动所需信息的90%来自视觉。所谓“眼观四路”，系指人们期望实现视觉的“全向感知”。尽管人眼是一种性能优异的光学传感器，但即使在白天，如果眼球不转动，其观察（即“凝视”）景物的范围（视场角）通常仅为前向46°。这个角空域只占全角空域（4πsr.）的4%，即盲区占96%。借助眼球转动，可在前向约140°范围内有效获取视觉信息。若要观察更大范围的景物，就须摆头或转动身体。因摆头或转体需要一定的时间，因而会降低视觉信息的实时性。

同样在白天，近水面鱼类却能凝视水面之上半球空域（即视场角可达180°），“全向感知”一定距离内的场景信息。由于眼球不必转动，更无须摆头或转体，这使之赢得了时间，可有效应对来自水面之上任意方向的威胁。

如何把水下鱼类的上述视觉功能用工程方法仿造，并且昼夜都能实现这种全向实时的态势感知和目标信息提取？这就是“红外鱼眼光学”的研究内容。

近20年来，作为仿生学的一个重要分支，“红外鱼眼光学”研究在国际上悄然兴起，其关键技术有哪些？国际先进水平如何？有什么实用意义？国内情况怎样？军械工程学院王永仲教授应邀撰写的《模仿生物视觉的凝视红外成像全向感知技术》一文可供您参考。该文发表于《科学通报》2010年第19期。

论文阐述了上述研究的应用背景，指出现行红外设备的某些技术缺陷，以及由此产生的应用局限。研究表明，模仿生物视觉的红外成像设备可以突破现行技术的上述局限，实现严格意义上的“全向”“实时感知”，从而建立光电装备的一种新体制，探索光电侦测的新途径。

作者综述了美国的红外鱼眼光学研究概况：1997年由著名学者R.E.Fischer主持，启动此研究；2001年制成具有初步视觉功能的“微小型红外成像应用开发系统”样机（MIRIADS）；从2002年起，由空军主持开展地—空测试和摸底试验；2005年美国和欧洲公布L.G.Cook的相应发明专利；同年，此技术首先应用于民航机载，防止在客机起飞和降落时遭遇地—空导弹攻击；2006年起，海军在SBIR计划中支持该技术的舰载应用。

作者的同类工作从1988年起步，1995年公开发表自行设计的实用型中波红外鱼眼，比L.G.Cook的上述发明早十年。所研制的“仿生微小型红外成像探测系统BMIRIDS”从1998年走向试用，比美国MIRIADS早3年，2003年获中国发明专利，比美国和欧洲同类专利早2年。此后的工作是改进性能，拓展应用。

以上情况表明，国内的此项研究与国际先进水平相当。

论文首次阐述了模仿生物视觉功能的数理基础和工程实现技术，这些功能包括：近水面鱼类凝视半球空域的功能、从场景中提取动目标、对目标定向、感知目标距离和速度的功能，以及人眼感知场景亮度的对数变换属性、图像灰度对比感知恒定特征和目标轮廓强化效应等。

作者依据自身实践，指出了红外鱼眼设计的特殊难点及攻克关键技术的思路与方法。

实践证明，此研究的突出意义是实现全时日（昼夜）、全方位（无盲区）的实时态势感知和信息获取，在天文气象、环境监测、公安边防、航空航天等领域有广阔应用前景。美国国防部将其列为“可极大地增强维和部队和作战人员能力”、“能带来重大回报”的研究领域，可见其军事意义之一斑。