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  许多昆虫都存在复眼,它能为昆虫提供更广范围的动态视野,为它们提供更好的躲避敌人和捕食的能力。韩国科学家通过模仿昆虫眼睛的视觉结构,开发了一款拥有超高帧率、高灵敏度的新型仿生相机。

  传统的高速相机擅长捕捉快速运动,但其灵敏度会随着帧率增加而降低。其原因是快门速度增加时,可收集的光线也会随之减少。这使得高速和低光条件下,要得到高品质影像成为一项困难的挑战。

  不过,科学家发现昆虫的复眼运作原理可能解决这些问题。原因是复眼是由许多的小眼组成,它可以同步检测快速移动的目标,以增强视觉灵敏度,还能通过整合接收信号,让昆虫在低光条件下观测目标,有效觅食、导航和躲避威胁。

  韩国科学技术院(KAIST)的研究人员受这些生物机制的启发,模仿昆虫眼睛的视觉结构,成功开发了一种低成本的高速仿生相机,并克服传统高速相机面临的帧率和灵敏度的限制。该研究于2025年1月发布在国际期刊《科学》上。

  他们采用类似昆虫复眼的结构方法,让多个极小的光学通道进行信号接收,从而获取不同时间的信号,再将这些小信号加总成一个大信号。这种做法就是让光线的每帧快速重叠,积累成一个大画面,从而降低信号杂讯和提高画面品质。

  他们用此方法做出一台具有低杂讯、每秒捕捉9,120帧(fps)的能力,还能在低光条件下提供清晰影像的高速高灵敏度微透镜阵列相机(HS-MAC)。

  HS-MAC相机内部有单一滚动式快门,快门后面有一块长10.5 mm、宽8.35 mm、厚度1.53 mm的互补式金属氧化物半导体(CMOS)作为影像传感器,而CMOS影像传感器上有1000多个微小的透镜组成透镜阵列(oMLA)。

  HS-MAC相机使用“通道分割”技术,让CMOS影像传感器依照顺序快速曝光,以此实现在低光下提高相机整体的帧率。当相机得到这些高帧率的影像后,只需要用“压缩影像恢复”的算法,就能消除帧率积累造成的影像模糊问题,让影像变清晰,以利于人们进行观看和使用。

  实验人员将HS-MAC相机与另一款传统的高帧率超薄微透镜阵列相机(MAC)进行比较,HS-MAC相机最高帧率(9,120fps)达到MAC最高帧率(480fps)的19倍,影像品质和画质清晰度也比MAC还要好。

  之后实验人员将这款HS-MAC相机进行实际运用,用它来拍摄低光(0.88流明)的火焰晃动模样。结果显示,HS-MAC相机在距离火焰20公分处精准清晰的拍出火焰晃动规律,还拍摄到火焰被夹断的快速变化过程。

  此外,研究团队还计划扩展这项技术,开发用于3D成像和超分辨率成像的先进影像处理算法,旨在应用于生物医学成像、智能手机、无人机或汽车等其它影像应用上。

  实验人员表示,他们会继续改进HS-MAC相机性能,包括改进光学设计或计算校正,改善相机在过近拍摄时造成的影像扭曲(畸变)问题(光学透镜经常出现的问题),同时希望可以降低相机“压缩影像恢复”的计算成本,让它能够拍出更清晰、更高分辨率的影像。

  韩国科学技术院生物与脑工程系博士生、该研究的第一作者金贤庆(Hyun-Kyung Kim)对该校的新闻室表示,“我们通过实验验证这种受昆虫复眼启发的相机,可以在高速和低光条件下拍出清晰的照片。该相机尺寸小巧和便捷,正是为了全监控、医学成像等多种应用而存在。”

  这项研究得到了韩国国防采购计划管理局(DAPA)国防技术计划和发展研究院(KRIT)、科学和资讯通讯技术部及贸易、工业和能源部(MOTIE)的支持。