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基于偏振光的视觉导航定位

来源:www.yeezyai.com    日期:2019-04-02    点击次数:

偏振真的能导航 


蚂蚁、蟋蟀、甲虫和蜘蛛等很多昆虫和节肢动物,都可以通过眼睛上的特殊视锥细胞看到天空中的偏振光,从而判断方向。蜜蜂能够飞出蜂巢十几公里也能够正确返回,靠的就是相对于太阳位置的偏振光来导航。 

同样能够靠偏振光导航的还有脊椎动物。候鸟可以在日出日落的时候,通过偏振光来校准它们的“罗盘”,综合其他器官的综合信息,才能够跨越上千公里而不致迷路。 

蝙蝠会在日落时利用偏振光校准它们的导航系统你听说过吗?德国的研究团队就决定一探究竟。他们将蝙蝠放置在两个箱子中,一个箱子内有90°偏振度的光源,一个箱子完全靠太阳光照射。当研究团队将两个箱子驱车运至25公里外放飞蝙蝠,通过追踪仪器的记录发现,阳光组的蝙蝠都能够正确的找到家,而偏振组的蝙蝠则按照90°的方向飞去,未能找到原来的地方。经过进一步的研究证实,蝙蝠的视锥细胞上覆有不同厚度的膜,以此来达到偏振片的效果,配合其他导航器官的综合信息,就能够顺利导航。 

▲是不是以前觉得蝙蝠的视力弱爆了?事实上它可能比你的眼睛厉害多了。 


偏振光对于海洋生物来说,同样可以起到导航作用。美国耶鲁大学生物系教授Talbot Waterman在1954年的论文中就指出,水可以充当偏振片一样的作用,甚至在水下200米处,也能够有来自水面的偏振光。于是本文的研究团队,一个集世界上各名校研究人员的明星团队,决定通过相机+偏振片的形式来验证:是否海洋生物能够像陆地生物一样,可以通过偏振光来进行导航。 


水下发生了什么? 


从天空到海底的过程中,发生了两种光学现象:散射和折射。来自太阳和天空的光(天空本身就是阳光散射的产物),通过水面折射入水中。由于水表面的偏振作用,天空被压缩为一个球形的图像,这种现象被称作“Snell窗口”。 

▲Snell现象在水下摄影中非常常见,本来非常广阔的天空,在入水后就成了一个球形。 


这些入射的阳光被水面偏振后,夹杂着水下四面八方的内部反射光,以及来自海底的反射光,共同组成了水下的偏振系统。 

▲通过水下偏振相机的拍摄,可以清晰的记录下太阳高度在10°、45°以及80°时,水下光的偏振度。太阳光越垂直于水面,水下偏振光的角度就越平行于水面;相反太阳高度越低,水下偏振光的角度就越垂直于水面。所以拥有偏振视力的海洋生物完全可以通过这样的图片来判断太阳的方位,以及判断方向。 


除了太阳的高度位置,包括大气条件、水质和深度在内的许多因素,都是影响水下光强和偏振角度的因素之一。可能这也是为什么海洋生物普遍具有高灵敏视力的原因之一。 

研究团队使用一款来自IMPERX公司的Bobcat 2MP分辨率GigE接口相机,配合偏振滤光片,组成了一套仿螳螂虾的视觉系统。还记得大明湖畔的螳螂虾吗?这类甲壳纲口足目的动物们有着逆天的16种光感受器——而人类只有4种。大家喜闻乐见的皮皮虾、濑尿虾,又叫虾蛄(Squillidae),就是它们中的一员。 

▲螳螂虾的眼睛上有一条水平的带状区域,这个区域横扫过它们的视野,不仅是线性偏振光,在这个小区域内甚至还集合了红外线和紫外线的感受器,堪称逆天典范。 

研究团队通过芬兰、澳大利亚、加勒比海以及夏威夷等不同纬度海域采集的数据,经过综合计算后,将导航数据应用在科研艇上,航行结果和GPS导航进行比对,平均航向误差仅为0。38°,1公里内误差仅为6。6m,这种误差水平基本已经和沙漠中蚂蚁的偏振导航能力差不多了。他们还在系统上加入了一套鱼眼透镜,以此来采集360°视野,这样不论太阳高度如何,都能够准确观测到水中的偏振角度。 

通过这样一套视觉系统,放在全球不同水域中的水下进行拍摄,配合三轴磁力计和三轴加速计,以及一个电子罗盘,研究团队得出结论:水下极化线性偏振图像,完全可以作为海洋中具有偏振敏感视觉的动物的太阳能罗盘,甚至可以用于全球定位。 

这套水下视觉系统除了相机和偏振片外,还拥有一个运行CentOS Linux的ADL Embedded Solutions QM67PC单板计算机,可通过HDMI接口将实时偏振视频进行显示,还能够让潜水员实时控制系统。 

▲系统中核心相机就是来自IMPERX公司的Bobcat 2MP分辨率GigE接口相机。该相机拥有超强的鲁棒性,可在-40℃~+80℃的宽温范围内正常工作,平均无故障时间超过66万小时,非常适合各种极端环境下的应用。

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