人工视觉，灵感来自猫

帕特里夏·道坎塔斯

Long-haired cat with prominent eyes

该人工视觉系统具有狭缝状椭圆孔径和基于猫眼结构的图案化金属反射器，以改善各种光照条件下的目标检测和识别。[图片：Cris Cantón/Getty Images]

许多掠食性动物已经发展出专门的视觉来捕猎猎物。例如，猫的瞳孔在强光下会缩小到垂直的狭缝，以便将食物目标与周围环境区分开来。在夜间，宽大的圆形瞳孔和内眼的反光特性会增加猫对光线的敏感度。

受这些猫科动物适应性的启发，韩国的研究人员设计了一种具有狭缝状光圈和金属反射器的人工视觉系统，以提高光敏性。这种仿生装置可以帮助无人机和自动驾驶车辆识别背景杂波中的重要物体。

模仿猫眼
“我们在生物启发光学方面的大部分研究都建立在各种生物学家发现的现象和分析之上，”研究报告的作者、光州科技学院(GIST)的Young Min Song说。“之前的研究表明，小型掠食者，比如猫，被称为伏击型掠食者，可以通过垂直瞳孔减少背景噪音。由于我们的研究重点是光学，所以我们深入研究了垂直瞳孔如何提高狩猎效率。”

song和他的同事们意识到，人眼的窄圆形瞳孔在强光下将目标和背景物体聚焦。然而，对于使用人工视觉的机器人系统来说，通过小圆孔看到的混乱的视野可能会带来真正的问题--也许掩盖了行人和静止建筑物之间的区别。

另一方面，垂直狭缝光瞳的不对称形状在切线和矢状观察平面中产生不对称的景深，并增强所需对象与其背景在明亮光线中的对比度。

猫的视网膜后面还有一个反光层，即透明绒毡层。这一层会产生不寻常的光，有时会在宠物的闪光照片中捕捉到。但透明绒毡层在黄昏或夜间狩猎中起着实际作用：眼睛反射回来的光帮助猫看到猎物。

从眼睛到相机
通过构建模仿猫眼结构的硬件，该团队学会了如何有选择地过滤掉所需信息，即使在高噪声环境中，也能更好地识别隐藏的物体。

gist人工视觉系统由一个具有可切换孔径(椭圆形、小圆形和大圆形)的光学透镜和一个半球形硅光探测器阵列组成，该阵列由一个图案化银反射器支撑。尽管反光镜通常不放在传感器后面，宋说，反光镜就像透明绒毡层一样，通常被用在路标上。

许多其他研究人员已经用人工智能解决了人工视觉问题，比如基于深度学习的图像分类。宋说：“然而，我们试图提取所需信息的精度越高，计算负担就越大。”

通过构建模仿猫眼结构的硬件，该团队学会了如何有选择地过滤掉所需信息，即使在高噪声环境中，也能更好地识别隐藏的物体。在涉及噪声网络中的标准化图像数据集的实验中，使用传统卷积神经网络的摄像机获得了88.89%的准确度。宋说：“然而，使用猫眼结构，准确率显著提高到94.44%。”

研究人员希望他们的概念验证相机有朝一日能促进侦察和自动驾驶场景。然而，宋说，光圈必须能够动态变化。他补充说：“为了模仿猫眼，孔径根据入射光进行调整，需要一种不同的技术方法--可能涉及可调谐光子技术。”“在图像处理方面，对猫的视觉皮层中发生的过程进行更深入的分析，并实施复制这些功能的神经形态设备，可以更全面地实现猫的眼睛视觉。”

发表日期：2024年10月24日

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