11.2　人类视觉的仿生技术

顾名思义，人类视觉的仿生技术，是模仿人眼的结构和功能而研究开发人造技术系统的仿生技术。人眼视觉系统分为两大部分，即眼球光学系统和视觉神经生理学系统，可借以仿生和应用的，当然也包括这两个方面。人类视觉的仿生技术似乎并不普遍，但细想之下，这种技术及其应用其实十分广泛。比如前文介绍过的角膜接触镜、人工晶体、普通照相机、数码照相机、立体镜，以及三角测距法、计算机视觉、机器人视觉、神经网络技术等。这些技术在日常生活、生产和科研中的应用非常普及，以至于我们没有注意到它们其实也是基于人类视觉进行仿生而发展起来的技术，或者说，只不过没有刻意将这些技术归类为视觉仿生技术而已。

11.2.1　人造眼球光学元件简介

眼球光学系统的元件包括角膜、房水、晶状体、玻璃体和瞳孔等。曾经盛极一时的角膜接触镜，也称隐形眼镜，正是依据角膜的形状、曲率、厚度和屈光特性等结构参数及功能研制出来的。之后又根据角膜的光洁性、柔滑性和通透性等对角膜接触镜进行了改进，使之能适用于各类屈光不正患者，获得舒适而安全的视觉。

人工晶体是另一种典型的人造眼球光学元件。它在白内障摘除手术、高度近视或远视的手术治疗及无晶体眼的晶体再植等方面获得了广泛的应用，为成千上万的患者带来光明。而人工晶体的曲率半径、直径、厚度、折射率和屈光特性等，几乎都是严格按照人眼晶状体来进行设计的。同时还要充分考虑植入后的人工晶体与眼球内容物之间的相容性或生理反应等问题，使其植入后能较长时间安全使用。

人工晶体的发展，还经历了从单焦距到多焦距的发展历程。实际上，这也正是进一步模仿人眼晶状体的特性的必然结果。我们都知道，人眼既能够对近目标清晰成像，也可以看清楚远处的景物，这其中借助于晶状体的调节作用。而传统的人工晶体的焦点是固定的，也就是只能对某一距离及其附近的景物清晰成像，对无法看清其他距离的目标。多焦人工晶体则可以解决这一问题，因为它的功能对晶状体的模仿程度更接近。不过，目前多焦人工晶体还没有大面积推广，原因是其后表面菲涅尔环的微型沟槽内很容易嵌入蛋白分子，一方面污染多焦人工晶体的表面，使之丧失效能，另一方面还可能导致炎症。解决这一问题的方法，同样需要从充分考察和模仿人眼晶状体的特性中去寻找答案。

11.2.2　眼睛与照相机

眼睛可看成是一架功能无比完善的照相机，或者说，照相机是一只人造的眼睛。这样的说法虽不普遍，但照相机与眼球的相似性是不言而喻的，我们也无从知道，照相机的发明者是否从眼球光学系统的构造和功能中获得了灵感。可以说，照相机是眼球光学系统的仿生学应用的典型例子，或者说，近年发展起来的数码相机是视觉仿生学应用的一个范例。图11‐2所示为眼球光学系统和照相机的结构对比示意图。其中，镜头相当于晶状体，光阑相当于瞳孔，胶片或光电接收元件与视网膜相对应，照相机机身暗盒的作用与眼球的挡光作用是一样的。市面上所谓的傻瓜相机，镜头及焦距是固定不变的，因此只能对有限的距离和景深获得最佳照片效果。高级照相机特别是数码照相机的镜头系统结构十分复杂，功能也很齐全，可以对近距离到远处的几乎一切景物清晰成像；同时，还可利用变焦镜头将远处的景物拉近拍摄。这其中，镜头需对距离不同的景物自动调焦，而自动调焦的机理，与人眼晶状体极为相似。

图11‐2　照相机与眼睛的比较示意图

人眼的调焦过程是，由眼球光学系统将景物成像在视网膜上，初始时刻视网膜像可能是模糊而弥散的，该弥散像的信息由视网膜接收转换后，通过视觉通路传递到大脑，大脑根据像弥散的程度，实际上是依据一定的空间频率评价函数，不断修正晶状体的调节程度和瞳孔的直径，直到获得最清晰的景物像。这个过程虽经多次反复，但均可以在瞬间完成。照相机的自动对焦技术与人眼类似，其中数码照相机的调焦更接近人眼，也是依据特定的评价函数，启动电机控制镜头组的相对位置和前后位移，最终获得最佳的像质。数码照相机的调焦过程耗费的时间是显见的，最慢的可能达到数秒乃至十几秒钟。另外，即使最先进的数码照相机，对玻璃窗外的物体、百叶窗、太暗淡的景物、太亮的景物、本身闪光的目标等，都可能调焦失败，而人眼显然不存在这些问题。因此，虽然照相机的结构和功能是人类视觉的仿生学应用的典型例子，但相比于人眼，仍有许多方面需要改进和发展。(www.daowen.com)

11.2.3　双眼视差法测距

人类的视觉具有双眼结构。由于双眼瞳孔距的存在，左右眼看到的景物存在双眼视差。双眼视差不仅是产生立体视觉必不可少的要素，而且在测定和判断空间距离方面具有重要作用。依据这个原理，人们研制开发了各种双眼视差法测距系统，平时常用的三角法测距系统，实际上也是依据双眼视差的原理制成的。这类测距系统利用两台电视摄像机作为模拟的双眼，测距时转动两个摄像机，使它们拍摄到的目标点的电视像重合，根据摄像机旋转的角度，也即该目标相对于两台电视摄像机的视差角，即可计算出物体的位置。

双眼视差法或三角法测距，在大地测量和建筑学等方面具有广泛应用。在天文学领域，测定某些恒星的距离时也可采用双眼视差法。当然，所有恒星离地球的距离都非常遥远，根据双眼观察所获得的双眼视差直接测定其距离是不可能的，因为恒星在左右眼视网膜上的像不存在双眼视差，参见图11‐3（a）。图11‐3（b）所给出的例子，是一种广义的双眼视差法。在春分时从地球上观察某一颗恒星，恒星相对于地球有一仰角；半年后，地球运行到秋分点位置，此恒星的仰角发生一定的变化。半年前后的仰角之差为Δα。如果将地球的两个位置比拟为人的两只眼睛，那么地球轨道的直径就相当于瞳距，Δα正是由于这一距离而产生的视差角。对双眼视觉而言，根据瞳距和视差角可以判定目标的距离。同样，根据测定的Δα值以及已知的地球轨道直径（平均值约为2个天文单位，即3亿公里），即可计算出恒星的距离。

图11‐3　双眼视差法星际测距

双眼视差法以及由此研发的双眼视差法测距仪，可以在大地测量及较近距离的天文观测中较好地应用，但对于那些更加遥远的星系和恒星而言，这种方法仍然是无能为力的。直观地说，太阳与地球的距离为1.5亿公里，约8光分，地球轨道直径约16光分，而当今能观察到的最远的宇宙纵深约为130亿光年，与之相比，日地距离显得那样微不足道，上述双眼视差法也就不可能发挥作用。我们已经知道，遥远的星系距离的测量，利用的主要是光波长的红移现象。

11.2.4　双眼视觉与机器人视觉

近几年，机器人视觉的发展较为迅速，其中美日等国在该领域处于领先地位。机器人视觉不仅能够有效地识别目标，分辨景物的颜色，测量目标的距离，恢复物体的三维立体信息，检测目标的运动等，并且可与机器人的其他功能相配合，获得与人类类似的知觉及动作协调效果。例如，某些机器人能够利用视觉对乒乓球的位置和速度的检测，用机器手和乒乓球拍实现长时间的掂球；也能根据对篮球运动轨迹的检测，完成精确的投篮动作。又如机器人能够凭借视觉来调整步伐和行进方向，从迷宫般的障碍阵中顺利走出来。此外，机器人视觉已经在工业生产流水线、自主行走的仓库搬运车、深海探测器、火星车等方面得到实际应用。

机器人视觉的原理和结构参数，几乎都模仿或参照了人类视觉系统的结构和功能。因此广义而言，机器人视觉是视觉仿生学的典型例证。机器人视觉系统一般都具备“双眼”结构，与人类及其他高等动物的双眼结构一致；同时，每只机器眼同样包括调节镜头、光阑、光电探测器及信息处理系统等部分，实际上也与人类眼球光学系统和神经生理学系统的结构及功能类似。

研究发现，人类视觉系统的信息加工都是以平行（Parallel processing）方式进行的，而计算机系统的模拟量与数字量之间的转换和传输采用的是串行（Serial processing）方式。前者每次可以处理很多组数据，后者则只能处理一组数据，显然平行处理的速度、容量和效率远远高于串行方式。为此，科学家根据视觉系统的并行处理原理设计了图像平行加工机等系统，模仿视觉系统对图像进行快速识别和处理。