來自加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的兩位生物工程師和一名前博士后學(xué)者，共同開發(fā)了一類新的仿生三維攝像系統(tǒng)，可以模仿蒼蠅的多視角視覺和蝙蝠的自然聲納感應(yīng)，實現(xiàn)深度可掃描盲點的多維成像。
在計算圖像處理技術(shù)的支持下，該相機(jī)可以識別隱藏在角落里或其他遮擋物后面的物體的大小和形狀。這項技術(shù)的傳感能力遠(yuǎn)超當(dāng)今前沿技術(shù)水平，有望應(yīng)用于汽車自動駕駛或醫(yī)療成像領(lǐng)域，相關(guān)研究已經(jīng)發(fā)表在《自然?通訊》上。
▲ 論文截圖
在黑暗中，蝙蝠可以通過使用回聲定位（聲納）的形式將周圍的生動畫面可視化。它們不斷發(fā)出高頻叫聲，被周圍的環(huán)境反射后會被耳朵接收到。通過接收回聲所需的時間和聲音強(qiáng)度的微小差異，蝙蝠可以實時確定行動路徑上物體的位置，以及與潛在獵物的距離。
許多昆蟲都有幾何形狀的復(fù)眼，其中每只“眼睛”由數(shù)百到數(shù)萬個獨立的視覺單位組成，這使得它們能夠從多個視角看到同一物體。例如，蒼蠅的球狀復(fù)眼盡管焦距固定，使它們很難看到遠(yuǎn)處的物體 —— 比如高舉的蒼蠅拍 —— 但也讓它們擁有近 360 度的視野。
▲ 蒼蠅的復(fù)眼 | Wikimedia Commons, Thomas Shahan / CC BY 2.0（https://creativecommons.org/ licenses / by / 2.0）
受到這兩種動物的啟發(fā)，加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊開始設(shè)計一種具有先進(jìn)功能的高性能 3D 攝像系統(tǒng)。研究負(fù)責(zé)人、UCLA 薩穆埃里工程學(xué)院（Samueli School of Engineering）的生物工程副教授高亮表示：“這個想法雖然之前已經(jīng)嘗試過，但主要障礙則一直是長距離和圍繞遮擋物的識別。為了解決這個問題，我們開發(fā)了一個新的計算成像框架，它首次利用簡單的光學(xué)設(shè)備和一個小的傳感器陣列，獲得兼具寬度和深度的全景圖像?！?/p>
這一框架被稱為“緊湊光場成像”，或稱 CLIP（Compact Light-field Photography），允許相機(jī)系統(tǒng)在更大的深度范圍或環(huán)繞周圍觀察物體。在實驗中，研究人員證明他們的系統(tǒng)可以“看到”傳統(tǒng) 3D 相機(jī)無法發(fā)現(xiàn)的隱藏物體。
▲ 緊湊光場成像（CLIP）原理 | 參考資料 [1]
研究人員還使用了一種“光探測和測距” （Light Detection And Ranging, LiDAR）技術(shù)，使用激光掃描周圍環(huán)境以創(chuàng)建該區(qū)域的三維地圖。如果沒有 CLIP，傳統(tǒng)的激光雷達(dá)會對場景進(jìn)行高分辨率的快照，然而會像人類的眼睛一樣，忽視隱藏的物體。
研究人員使用七臺帶有 CLIP 的 LiDAR 相機(jī)陣列拍攝一個場景的低分辨率圖像，處理各個相機(jī)的拍攝結(jié)果，然后在高分辨率三維成像中重建綜合該場景。結(jié)果顯示，該相機(jī)系統(tǒng)可以對包含多個不同距離物體的復(fù)雜三維場景進(jìn)行成像。
▲ 拓展深度的激光雷達(dá)快照 | 參考資料 [1]
“如果你遮住一只眼睛，看向你的筆記本電腦，有一個咖啡杯只是稍微藏在電腦后面，你可能就看不到它，因為筆記本電腦擋住了視線?！蓖瑯邮羌又菁{米系統(tǒng)研究所成員的高亮解釋說，“但如果你同時用兩只眼睛看，你會得到一個更好的物體視圖。這有點像這里發(fā)生的事情，但現(xiàn)在想象一下用昆蟲的復(fù)眼看杯子?，F(xiàn)在，對物體的多視角觀察是有可能實現(xiàn)的?！?/p>
根據(jù)高亮的說法，CLIP 能夠幫助相機(jī)陣列以類似的方式對隱藏的物體進(jìn)行觀察。與 LiDAR 相結(jié)合，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)蝙蝠回聲定位的效果，因此人們可以通過光反射到相機(jī)所需的時間來發(fā)現(xiàn)隱藏的物體。
參考文獻(xiàn)
[1] Feng X, Ma Y, Gao L. Compact light field photography towards versatile three-dimensional vision[J]. Nature Communications, 2022, 13(1): 1-10.
[2] https://phys.org/news/2022-08-bug-eyes-sonar-bioengineers-animal.html
題圖來源：Intelligent Optics Laboratory, Liang Gao / UCLA
研究團(tuán)隊
通訊作者 高亮：加州大學(xué)洛杉磯分校亨利?薩穆埃里工程學(xué)院副教授，主要研究方向為生物醫(yī)學(xué)光學(xué)、超快光學(xué)成像、計算光學(xué)成像等。
論文信息
發(fā)布期刊 《自然通訊》Nature Communications
發(fā)布時間 2022 年 6 月 9 日
論文標(biāo)題 Compact light field photography towards versatile three-dimensional vision
(DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-022-31087-9）
文章領(lǐng)域 光學(xué)成像
本文來自微信公眾號：我是科學(xué)家 iScientist （ID：IamaScientist），編譯：矩陣星 編輯：靳小明 排版：尹寧流
廣告聲明：文內(nèi)含有的對外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。