视觉仿生与立体视觉测量

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    仿生学,作为现代科学技术的发展前沿,是一门崭新的边缘尖端科学,它是用一定的人造系统或人的组织系统来分析生物系统的结构、机制与过程,在工程技术与生物科学之间从事开创性的研究与模拟。仿生学研究的第一个目标是加深对自然界的理解和对人类自身的认识;第二个目标是创造模拟生物原理的新工程系统。仿生学的研究范围非常广泛,研究内容丰富多彩,无论是宏观的还是微观的,整体的还是局部的,也无论是结构还是功能,只要生物系统比技术系统具有明显的优点,值得人们去模仿,均属仿生学的研究对象。

    眼睛就像一台机能完善、结构精巧的信息处理机,处理外界进入大脑的90%以上的信息。尽管人们已经制造出照相机、望远镜、光电管等这些非凡的“人造眼”,但科学还得向生物界的原始构造物——眼睛求教,进一步探索它的奥秘,取其优点为人类所用。

    1　双眼立体视觉机理及模型

    在大脑视觉区域的细胞中,有些细胞对从双眼来的刺激都有反应,将这种有反应的细胞称为双眼性细胞。大脑视区的大部分细胞都是双眼性细胞,这些细胞对左右眼一般具有几乎特性相同的感受野,双眼性细胞左右视网膜上感受野的位置,若投影到视野上,其位置并不完全一致,每个细胞逐次稍微偏离一点,这种感受野的差异对双眼立体信息的提取有重要作用[1]。

    如图1所示,有3个双眼性细胞A、B、C,他们的左右眼感受野之间有不同的差异度。在图示的屏幕上给予光刺激,这些细胞感受野的中心位置,在左眼视网膜上重叠为一点,但在右眼视网膜上各有不同的位置,或者说,左眼的感受野在同一轴线上,右眼的感受野则在3个不同的视轴上。

    还有一些双眼性细胞,对单眼刺激几乎不起反应,但对双眼刺激所引起的反应的促进作用却非常显著,并且给予双眼刺激的位移量适当时,才有输出。

    这样的细胞在三维空间中,只有在离眼睛特定距离的地点放置光刺激时,才有强烈反应,故也称为双眼性深度检测细胞。

    生物视觉系统拥有大量的光敏元件,即视网膜视杆细胞和视锥细胞,由于视神经纤维远比视网膜的光敏元件少,故两者不可能一一对应。

    因为视觉信息传导到视神经以前发生了某种平行加工,这种预加工是通过实时反映系统把图形的重要特征迅速地抽提出来[2]。

    许多人提出了信息加工的分层模型,最著名的是马尔科(Marko)提出的分层模型,如图2所示。

    (1)第一层是感受层;

    (2)第二层是由4个平行加工的、分别抽提出垂直、水平和2条对角线方向的方向滤波器组成;