蜜蜂的图像识别与记忆

白昊东，胡福良

（1.浙江大学机械工程学院，浙江 杭州 310058；2.浙江大学动物科学学院，浙江 杭州310058）

动物感知周围环境变化的一个重要器官便是眼睛。曾经有观点认为只有拥有哺乳动物那样复杂大脑的生物，才会拥有识别复杂环境的能力，但是蜜蜂作为一种低等的社会性昆虫，它复杂的视觉系统与大脑中的认知功能，显然超出了人们的预期。蜜蜂的眼睛是其身上最重要的感知器官，科学研究[1]发现，蜜蜂头部大约有60%的能量被眼睛所消耗，这些能量的消耗为蜜蜂识别复杂的环境提供了基础。蜜蜂的视觉系统由1对复眼和3 只单眼组成，复眼由4000～5000 只小眼组成。蜜蜂眼中的图像与哺乳动物不尽相同，它们不能获取多样的色彩，其眼中的世界仅由黄、绿、蓝3种颜色组成，除此之外，蜜蜂也不能像人类一样获得充分的图像信息，而仅仅能分辨一些简单的图像特征，比如图像是否对称、图像的空心与实心，但是最重要的是，蜜蜂可以将这些信息提取、整合，形成一幅具有“蜜蜂”色彩的独特画面，这些识别与记忆能力也正是蜜蜂对于图像识别与处理所能够带来的帮助。

蜜蜂可以被人工饲养、训练，研究人员通过实验测定了蜜蜂感受光谱等各类视觉指标，这些数据更好地帮助人们认识蜜蜂的视觉系统。蜜蜂的视觉在仿生学中发挥了巨大的作用，例如依据蜜蜂复眼的偏振光导航仪，这使得飞机即使在磁罗盘紊乱的情况下也能准确飞行。

作为人类前沿技术的缩影，图像识别一直是一个热门的话题，由此衍生出人脸识别等具有重要意义的研究方向。蜜蜂作为一种低等的社会性昆虫却展现了惊人的识别、记忆能力，如果将这种识别、记忆能力运用到图像识别领域，那么这个领域将会快速发展。

1 蜜蜂的视觉系统

1.1 蜜蜂的眼睛结构

蜜蜂的视觉系统由1 对复眼和3 只单眼组成，复眼由4000～5000 只小眼组成，在两复眼之间的是单眼，单眼的作用是用来感受光的强弱。除此之外，在蜜蜂的复眼背区，存在一个特化区，这个特化区正是偏振光导航仪的灵感来源，通过检测偏振光，蜜蜂可以控制自己的飞行状态，由此来完成采蜜等工作任务。作为蜜蜂最重要的复眼，其所承担的功能也是最为复杂的，蜜蜂的色素细胞、视觉细胞均存在于这里，在蜜蜂对事物进行观察时，通过复眼，接受来自不同方向的信息，数千个小眼将图形分解成多个子模块，蜜蜂所具有的小眼数目越多，那么图像也将会变得更加的清晰[2]。不同的视觉细胞将这些信息传递到视网膜上。人们在移动时，事物呈现在视网膜上的图像也都在运动，视网膜上图像的这种运动即为“视流”。蜜蜂正是根据“视流”来调整自己的飞行。最后这些图形通过视神经传到蜜蜂的大脑中，形成属于蜜蜂的独特图形。

1.2 蜜蜂的视角与视觉敏锐度

对于不同的生物，其所具有的视角也是不相同的。对于蜜蜂来说，因为其复眼结构的独特性，所以其视角几乎能达到360°，这对于人类来说是不可思议的，这意味着蜜蜂几乎不用调整头部的方向便可以详细地观察到周围的环境，但是蜜蜂在飞行过程中并不会对所有角度都重视，它们飞行的时候视角会集中到头部前方区域。对于蜜蜂来说，它们的视觉距离很短，仅有0.5～0.6 m[3]，这也解释了为什么蜜蜂几乎无法看清楚周围的环境，它们仅仅能对周围环境特征进行分辨。

日常生活中我们发现蜜蜂可以对外界的环境变换进行快速的反应，这是因为蜜蜂的视觉频率达到200 Hz，这意味着1 s 内蜜蜂会对周围的环境进行200 次的动态观察，所以蜜蜂十分敏感，可以在危险出现的瞬间做出反应。

1.3 蜜蜂的颜色光谱

对于人类来说，我们的世界是由最基本的三原色组成的，但是对于蜜蜂来说，它能够观察到除了黄、绿、蓝3 种颜色之外的另一种元素——紫外线。虽然对人类来说这是看不到的，但是蜜蜂却可以识别。在研究过程中，研究人员发现蜜蜂具有绿、蓝、紫3 种颜色的光感受器，但是却不能识别红色[4]，这就意味着在蜜蜂的眼中，红色就和黑色一样，那么为什么蜜蜂可以采摘红花的花蜜呢？这是因为蜜蜂可以通过亮度差来找到红花。

2 蜜蜂的图像识别能力

2.1 蜜蜂的图像识别

在长期的研究过程中，研究人员不断发现蜜蜂在图像识别领域的特点。蜜蜂虽然不能像人类一样获得充分的图像信息，但它能分辨一些简单的图像特征，比如图像是否对称、图像的空心与实心等，除此之外，研究人员还发现蜜蜂具有抽取图形的抽象特性[5]，更令人想不到的是蜜蜂可以像人类一样利用学会的特性对自己从来没有见过的图形进行分析，这与人类的学习过程很相近。例如蜜蜂可以根据放射特性、对称特性等对图形进行抽取和记忆。虽然蜜蜂的大脑很小，因此在对复杂的图像进行处理时，需要花费大量的时间，但是如果可以将蜜蜂对于图形处理的能力加以利用，将会对人类产生巨大的帮助。

此外，研究人员使用延迟匹配来测试蜜蜂联想和记忆概念的能力，如图形和气味、方向和气味。结果表明，蜜蜂不仅可以在视觉通道的不同模块之间改变“相同”的概念，而且可以在不同的感觉通道（嗅觉和视觉） 中转换“相同”的概念。

2.2 蜜蜂的面孔识别

人脸识别是一个热门的话题，蜜蜂的图像识别能力可以在这个领域产生巨大的影响力。对昆虫的面孔识别进行研究，可以帮助人们更好地开发相关的程序。我们在人脸识别方面的专长主要是基于“整体处理”——将不同的面部特征粘在一起，以提供更好的识别。人类大脑中具有的梭状回面孔区[6]，便是提供这种记忆方式的基础功能区。但是这种功能区对于面孔图像的处理时高度特性化的，因此如果将面孔图形中的部分典型特征进行改变，那么人们识别面孔的能力将下降。这被认为是一个复杂的认知过程，是随着观察人脸的经验而发展起来的。

蜜蜂是一种很容易理解视觉处理的动物。单独的蜜蜂可以通过训练来学习复杂的问题。当研究人员用这些原理来测试这些昆虫时，蜜蜂能够学习人类脸部的黑白图像。尽管这些昆虫没有进化上的原因来处理人类的面孔，但它们的大脑通过创造复杂图像的整体表征来学习可靠的识别。它们将特征放在一起来识别特定的人脸。如果蜜蜂能够对人脸进行识别，那么为什么还会攻击养蜂人呢？这其中的原因，便是蜜蜂的眼睛具有弱光学敏感度特点，所以蜜蜂要能够真正地辨别物体和花的细节，只能在几厘米之内感觉出来，人的体积超过了蜜蜂的有效辨别范围。除此之外，蜜蜂的保护行为也是一个重要的原因。

蜜蜂小小的大脑至少可以可靠地识别有限数量的面孔，如果能够清楚蜜蜂面孔识别的机理，那么人脸识别技术将进一步发展。

3 蜜蜂的记忆能力

3.1 蜜蜂的记忆阶段

我们往往很好奇，为什么蜜蜂可以准确地记忆花瓣的位置，怎样在采蜜的过程中不迷路，这些都与蜜蜂的记忆有着重要的联系。记忆与学习是智能的基础，研究人员通过行为实验的研究，将蜜蜂的记忆阶段分为4 个记忆阶段—— 工作记忆、早期记忆、晚期记忆、永久记忆。

其中，工作记忆的持续时间很短，大概只有1 min，这个记忆阶段很好地控制着学习行为，这种记忆对于酬赏和遗忘是非常敏感的。早期记忆对酬赏是不敏感的，但是这种记忆可以被遗忘。晚期记忆对于有些蜜蜂是不存在的，这种记忆对遗忘处理不敏感。永久记忆在多次学习实验后可以被建立，这种记忆会一直伴随蜜蜂，只有经过反向才能改变这种记忆。

3.2 蜜蜂记忆模型

蜜蜂的记忆模型包括图像模型和参数模型[7]，这2 种模型很好地解释了蜜蜂的花型记忆、位置记忆、路标记忆。

图像记忆模型认为空间频率是蜜蜂识别性状的重要依据，蜜蜂对于空间模型高频成分有很强的自发偏向，这种空间模型的频率可以包括图形的面积、 颜色、线性角度等分布数据。

参数记忆模型是在图像记忆模型的基础上提出了空间参数中重要的2 个参数——形状面积和轮廓密度，依据这2 个参数对蜜蜂的记忆进行分析。

3.3 蜜蜂学习记忆能力的差别

虽然蜜蜂具备学习和记忆的能力，但是不同个体的能力存在一定的差别，在学习实验的过程中，有些蜜蜂并没有产生永久记忆，这些学习能力低的蜜蜂对于条件刺激的反应速度较慢，研究者们认为这种低学习力的表现主要是因为蜜蜂在条件刺激和非条件刺激之间形成联想的能力较低，最初的记忆并没有随着实验的进行转换成永久记忆。

4 结语

蜜蜂作为人类的朋友，是植物进行花粉传播的媒介，维持生态平衡，维持植物种类的多样性，同时提高农作物的产量和质量；蜜蜂还提供蜂蜜、蜂胶、蜂王浆等产品，为各项工业、民用产品提供基础原材料，保证国民身体健康。可以说，蜜蜂对于人类非常重要。蜜蜂在各个领域都为人类提供着帮助，在人类的各个产业中都能发现蜜蜂的身影。人们往往惊叹于蜜蜂的识别和记忆能力，这种能力不仅在生物研究中具有重要意义，在工程研究中也有借鉴作用。如今，人们在高科技技术的帮助下更加地了解了蜜蜂的视觉结构和视觉系统，这些都为相关理论的建立提供了帮助。

人类对于蜜蜂的学习与了解是有意义的，毕竟每一种生物都是大自然多年来进化的产物，每一种生物都具有独一无二的瑰丽色彩，而蜜蜂作为其中的代表，必能使我们受益匪浅。