超快激光仿生复眼加工研究进展

作为一种典型的微纳光学元件,仿生复眼微视觉系统有机结合了光子学与微纳米技术的前沿科学成果,在机器人视觉导航、无人驾驶、微型飞行器系统等前沿领域具有广阔的应用前景。超快激光加工作为一种先进的制造技术,具有真三维加工、适用多种材料、微纳加工精度等优异特征,已成为制造多级结构仿生复眼视觉系统的理想工具。本文介绍了自然界昆虫复眼的结构特点,阐述和分析了各类型仿生复眼的超快激光加工研究进展,包括平面微透镜阵列、超疏水复眼透镜和大视场复眼透镜,最后分析了超快激光加工技术制备复眼透镜存在的问题和发展趋势,为仿生复眼视觉系统的进一步研究与开发提供有效参考。     

用于目标识别的紧凑型仿生复眼光学系统设计

大孔径仿生复眼光学系统兼顾了凝视大视场的同时,克服了生物复眼孔径小、视距短的缺陷。通过对仿生复眼视场拼接方法的分析,研究了实际阵列周期与理论计算周期数的关系,并提出了降低子眼系统密度的填补子眼法。通过研究球面固定本体设计中的几何关系,建立了本体径向半径d与曲率半径R的数学关系,提出了球面固定本体的设计方法,完善了之前提出的仿生复眼视场拼接理论。通过实际的装调实验,验证了设计方法的正确性。利用该方法可提高仿生复眼系统的集成性,减小系统尺寸,推动了仿生复眼光学系统的实际应用。     

大视场仿生复眼光电成像探测技术的研究发展

大视场、小型、多模、轻量化、低成本光电探测器是下一代精确制导武器的发展关键,基于仿生复眼的新型大视场光电探测系统作为其中的一个重要方向得到了美国军方的高度重视。通过多个创新研究项目,美军期望发展出多型大视场多通道仿生复眼光电探测器,进而用于自主式制导弹药,强化下一代精确制导弹药的环境感知能力、突防对抗能力和作战效能等。简要分析了精确制导武器的未来发展需求,昆虫复眼的结构和特点;介绍了仿生复眼光电探测器在美军精确制导武器中的应用期望和发展设想;简要讨论了仿生复眼在复杂地形、城市环境作战武器装备中的应用优势,重点介绍了美国空军针对城市作战制导弹药正在研究和开发的系列大视场仿生复眼红外成像探测器项目以及研究过程;另外,阐述了多通道大视场仿生复眼半主动激光探测器的研究进展情况;最后,总结了仿生复眼技术在精确制导武器装备中的研究进展,提出了我国在该技术领域的发展建议。     

仿生复眼结构设计及其成像系统研究新进展

仿生复眼成像系统以其小体积、大视角、高灵敏度等优点而受到广泛关注。国内外研究者一直致力于仿生复眼的理论分析和结构设计方面的研究。综述了复眼类型以及近年来国内外新型的仿生复眼成像系统的最新研究成果。分析各种类型的仿生复眼成像系统结构和技术特点,指出不同系统的优势及存在的不足,并阐述了仿生复眼成像系统的应用前景及未来的发展趋势。     

非球面复眼设计及其制备工艺研究

提出了一种制备非球面仿生复眼的方法。昆虫的复眼是由一个个尺寸微小的独立小眼沿曲面小眼阵列的方式分布在头部的两侧,以实现大视角探测。设计曲面基底上阵列非均匀微透镜结构,沿径向排列的各级微透镜的焦距及尺寸均不相同。根据几何光学成像原理,计算各级微透镜的尺寸参数,对构建的模型进行光线追迹,优化各级微透镜的尺寸参数。分析不同制备技术特点,研究材料性能及不同材料间的关系,提出了可简单、快速的制备非球面仿生复眼的方法。该方法中,利用精密五轴数控机床加工非球面复眼模具,然后通过压力灌注方法将非球面复眼结构转移出来,获得所需的非球面仿生复眼。通过仿真及实验结果表明,整个曲面仿生复眼边缘成像质量明显提高,各子眼通道均能够采集清晰亮斑。     

深度果蝇神经网络及其实时能见度预测

能见度预测属于时间序列预测领域的问题,如何实现对时序数据的处理以及捕获数据中的时间长期依赖关系,是当前研究人员的主要关注焦点.针对能见度预测模型构建难的问题,依据果蝇视觉系统在图像感知、学习和信息反馈过程中的生物学原理,提出一种基于视频监控图像的深度果蝇神经网络.首先,通过设计前馈果蝇视觉神经网络,提取图像的能见度特征...     

目标定位仿生复眼视觉系统成像位置计算

用于目标定位的仿生复眼视觉系统,目标成像位置的精确计算是提高系统定位精度的关键。文章从像斑能量分布的角度出发,介绍了一种较为适于复眼成像位置计算的方法:能量对称法。该方法以主光线在像斑上的坐标定义像斑重心,以主光线像点是像斑能量对称中心的原理来获得像斑重心（即像斑位置）。文中以仿生复眼视觉系统的简化模型为研究对象,应用能量对称法对理论模拟像斑和实验像斑进行了实际计算,计算表明理论像斑位置可以通过能量对称法准确得到;利用实验像斑位置计算入射光线角度也达到了较为理想的计算精度。文中采用传统的灰度重心法同步计算,与新方法形成对比。     

仿生复眼多级耦合光学天线优化设计及分析

在阴影遮挡等非视距应用场景中,可见光通信系统的性能受限于严重的光功率衰减影响。基于仿生复眼的工作原理,设计了一种球面仿生复眼微透镜组和复合抛物面聚光器耦合的光学接收天线。利用Trace Pro软件分析球面仿生复眼的非成像特性,发现当探测面面积一定时,随着邻子眼光轴夹角减小,能量收集比率逐步提高,当邻子眼光轴夹角小于局部最优值时,能量收集比率达90%以上,接近最优。光轴夹角的局部最优值与探测器面积呈正相关。复眼的大视场特性随邻子眼光轴夹角的增大而逐步丧失,最终趋近于单透镜特性。对于可见光通信非视距链路的应用,可获得天线增益达56.45,视场角大于90°。利用MATLAB对室内信道进行数值分析,证明了仿生复眼多级耦合光学天线在阴影遮挡严重的场景下依旧能保持较高的馈入光功率,与普通的单透镜天线相比,平均功率提高了20 d Bm,表明所设计的光学天线具有大视场和高增益的特性,可有效提高室内可见光通信系统的抗阴影遮挡性能。     

大视场曲面仿生复眼光学系统设计

为了解决传统成像系统存在的大视场与高分辨率不可兼得的问题,设计了大视场曲面仿生复眼光学系统。首先,针对所采用的间隔型圆周分层微透镜阵列排布方式,建立了一种曲面仿生复眼光学系统成像原理数学模型;再使用微透镜阵列与转像系统相结合的成像方案解决了微透镜阵列所成的曲面像与平面探测器不匹配的问题;并使用光学设计软件对该系统进行仿真分析及公差分析。设计得到的曲面仿生复眼光学系统总视场为152°,组合系统的焦距为61.14 mm,角分辨率为2.304″,系统总长为16.39 mm。相对传统的大视场成像系统而言,此曲面仿生复眼成像系统的畸变更小、分辨率更高。     

昆虫视觉研究综述

昆虫视觉因其奇特复眼而备受研究者的关注,同时复眼的相关处理视觉信息的神经系统也一直是众多学科研究者研究的热门课题。在昆虫视觉的研究中,无论是其独特的半球形复眼结构及其使用相对少量神经元处理大量视觉信息的多种视觉机制,都为光学成像和信息处理等领域中的诸多问题提供了不同的解决思路。文章对昆虫视觉结构进行介绍,并详细阐述了目前昆虫视觉机制中主要的研究方向以及其在光学仪器、信息处理等方面的应用。     

基于六边形紧密拼接结构的仿生复眼系统设计

基于仿生复眼的视觉优势,分析了仿生复眼的研究进展,对复眼的成像原理及部分昆虫复眼的结构进行了研究。根据生物复眼的结构形态,设计了六边形紧密拼接形式的曲面微透镜阵列及转像系统。同时,为了防止相邻子眼间的成像光束串扰,设计了单个光阑长度为1.5 mm的光阑阵列,实现了各子眼的单通道成像。根据光瞳衔接原则,对微透镜阵列和转换系统进行组合并优化。整个复眼的口径为8.66 mm,视场角为121°,每个子眼的口径为500 μm,子眼视场角为6°,在90 lp/mm处,复眼系统的MTF值均大于0.3,其RMS半径均小于艾里斑半径,系统成像质量达到设计要求。为满足3D增材制造工艺需求,设计了复眼系统的机械结构。公差分析结果表明,3D增材制造工艺可以满足系统的像质要求。     

Visual attention modeling based on short-term environmental adaption

Visual attention modeling is crucial for interpreting the structure and functionality of human vision system. A typical computational model of visual attention includes two basic elements: visual representation and saliency measurement. Most existing models left two phases unmodifiable without explicit adaption to the statistics of their corresponding visual environment. Inspired by neural adaption of biological neural systems, we proposed a novel principle for modeling visual attention mechanism named short-term environmental adaption. Given the statistics of a specified short-term visual environment, the proposed model adaptively extract sparse features and treats saliency as the features’ conditional self-information, which is more accurate in saliency measurement and more sparse with respect to visual signal representation.We have demonstrated our superior effectiveness and robustness over state-of-the-arts by carrying out dense experiments on human eye fixation benchmarks as well as psychological patterns.     

一种改进型机器人仿生认知神经网络

为了更好地模拟人类视觉系统中的注意力选择,本文提出一种改进型机器人仿生认知神经网络.首先模拟人类视觉皮层结构,在已有模型基础上建立改进型仿生认知神经网络模型;增加位置层(Position Motor,PM)到感受野(Receptive Field,RF)的自上而下(top-down)的视觉注意,同时下颞叶(Inferior Temporal,IT)不再接收全局视觉信息,而改为接收带有自下而上(bottom-up)视觉注意的局部信息,不仅降低数据处理的复杂度,也更加符合人类格式塔心理;最后利用该模型实现机器人复杂背景下目标识别与跟踪.实验结果证明该方法在有效减少数据冗余、缩短处理时间的同时,还可有效提高机器人视觉系统对目标的识别准确率.     

Design and validation of robotic bionic eye with multiple flexible ropes parallel mechanism inspired by oculomotor law

Producing a stable and agile bionic eye for visual image acquisition in robotics is a challenging task. In this paper, we design a bionic eye with mirror-symmetric distribution and cross-connection of flexible ropes. This mechanism is based on oculomotor law and the physiological structure of the extraocular muscles (EOMs). Specifically, the basic structural parameters are determined by Listing’s law, and the unique connection of the flexible ropes can realize the functions of the recti and oblique muscles. Furthermore, to mimic the trochlea structure, a pulley mechanism is constructed to permit the free movement of the flexible ropes. Through simulation and physical experiments, it is demonstrated that the bionic eye mechanism can move with agility under the structural parameters. The experimental results indicate that the proposed bionic eye mechanism has a superior motion accuracy of 2.798 mm, which is 6.7% of the maximum motion distance, and the repeatable accuracy of the mechanism can up to 0.210 mm.     

数据挖掘技术在建模、优化和故障诊断中的应用

数据挖掘技术是当今智能系统理论的重要研究内容,它综合运用人工智能、计算智能（人工神经网、遗传算法）、模式识别、数理统计等先进技术从大量数据中挖掘和发现有价值和隐含的知识。文中介绍数据挖掘技术的原理以及在建模、优化和故障诊断中的应用和,包括：基于遗传算法的模糊规则生成,基于粗糙集的规则挖掘和基于混合模型的邦联建模。     

小型化复合孔径双波段观瞄系统设计

针对单一波段生物复眼孔径小、视距短、接收光谱窄等不足,设计了一种大孔径接收可见光、中波红外仿生复眼光学系统。由于集成光路体积大,子眼系统选择共光路的结构形式。基于入射窗和出射窗的物像共轭关系建立了子眼系统拼接的几何模型。通过设计中继转像系统,将子眼阵列所成的曲面像转换成平面像,解决了平面探测器接收曲面像的问题。整个复眼由37个子眼构成,子眼的焦距为30 mm,视场为20°,入瞳为10 mm,相邻子眼光轴夹角为16°,合并后的视场为116°。相对微透镜阵列式的复眼系统而言,该曲面仿生复眼系统探测距离更远、获取目标信息更全。子眼系统和接收系统的成像质量良好,在?40~+60 ℃温度范围内无热差影响。     

The past, present, and future of neural networks for signalprocessing

The article provides a review of the fundamental of neural networks and reports recent progress. Topics covered include dynamic modeling, model-based neural networks, statistical learning, eigenstructure-based processing, active learning, and generalization capability. Current and potential applications of neural networks are also described in detail. Those applications include optical character recognition, speech recognition and synthesis, automobile and aircraft control, image analysis and neural vision, and several medical applications. Essentially, neural networks have become a very effective tool in signal processing, particularly in various recognition tasks     

ResNet及其在医学图像处理领域的应用:研究进展与挑战

残差神经网络(ResNet)是深度学习领域的研究热点,广泛应用于医学图像处理领域.该文对残差神经网络从以下几个方面进行综述:首先,阐述残差神经网络的基本原理和模型结构;然后,从残差单元、残差连接和网络整体结构3方面总结了残差神经网络的改进机制;其次,从与DenseNet,U-Net,Inception结构和注意力机制结...