德工程师做鹰眼3D打印镜头 可高空看清蚂蚁

2017-02-23 18:00:36来源: 36氪 关键字:德国科学家  鹰眼3D打印镜头

一只老鹰必须能看清楚远方的物体,从而发现可以捕获的猎物,或者察觉周边的威胁。鹰可以看的距离比人远四到五倍。如果你拥有鹰一样的视力,你可以站在10层楼上看到地面一只的蚂蚁。坐在球场最远处的位置,也能看清篮球远动员脸上的表情。

对无人机来说,这种出色的视力也十分重要,虽然无人机的眼睛很小,只有圆珠笔的笔尖那么大。

现在德国的工程师团队给出了一个不错的选择。

德国斯图加特大学做了一个3D打印镜头,可以用来做小型摄像机的监视系统,比如昆虫大小的无人机。也可以用于医疗方面,比如说内窥镜检查,或者用于小型机器人,尤其是用于测量、探索或者调查的机器人。该项目的最终目标是开发鹰眼3D打印相机镜头。

这项新技术发表2月15日发表在期刊Science Advances上。我们来具体看下这是个什么样的镜头。

这个镜头里面装了4个小的3D打印熟料镜头,每一个具有不同的焦距,且已经3D打印到单个图像芯片上。

如下所示,这四个镜头的视界从大到小,分辨率从低到高都能涵盖,几个镜头汇聚的图像可以集合到一个靶心,从而达到锐利如鹰的“视力”。

这是第一次将一个复杂的成像系统成功地3D打印到芯片上,形成了一个多孔径的相机。

3D打印的透镜系统不仅产生更接近有机视场的图像,与常规图像相比,还可以减少所需的功率和处理时间。这是因为只有捕获的图像的中心将需要密集处理。

图1:加特大学的鹰眼摄像机拍摄的图像

不过,这样也不是没有缺点。这项研究报的主要作者Simon Thiele指出,因为光线会较多地汇聚到中间,对外围事物信息的获取将会减少。

需要指出的是,这种镜头占据的空间,占据的面积只有300μm×300μm(长度和宽度上相当于人类的6倍)。因此,这种镜头完全可以安装到小型的无人机和机器人当中,在巡航的过程中,记录周围环境的图像。

虽然镜头这么小,但是德国的科学家们对这项技术的前景仍然非常期待。

“最让我兴奋的是应用领域是内镜和无人机,如果我们可以提供使用药丸大小的‘鹰眼’摄像头,我们就可以改善人体内部的成像。无人机也是一样,它携带的‘鹰眼’摄像机视力可能会跟普通相机一样好。”

图2:漏斗状视野汇聚了更多的细节在女人的眼镜上,外围逐渐模糊

人类和很多脊椎类动物的视野呈现“漏斗状”("foveated" vision)。视觉中心最清晰,而边缘则比较模糊。而这种设计和技术,其实是在模仿人眼或者动物眼镜的成像原理。人会用两只眼睛收集光线,然后大脑会把很多图像的碎片,来汇聚成一个完整、清晰的图像。

由于顶部有一定的曲率,四个镜头当中的每一个都有特定的视线,透过每个镜头去看,会发现中心清晰而边缘模糊。把他们聚合在一块(如图1右下角所示),他们就会从多个视角收集光线,来共同形成一个图片。

人眼示意图

在这个过程当中,一个主要的障碍是通过层状材料(layering material),做成一个具备光学性能的镜头。为了做成一个完整的相机,设计师Amos Dudley不得不通过各种处理方法,来避免人肉眼能辨别出镜片分层的问题。

虽然斯图加特大学的“鹰眼”镜头仍然有微观层的分离,但是镜头的设计掩盖这个缺点,让它变得无伤大体。根据光学原理,光纤自上而上透过,而不是从侧面透过,这样微观层的问题就不会影响光线的走向。

目前,这项技术有一定的局限性。例如,现在只能使用一种类型的塑料材料来附加地制造透镜。而多材料透镜可以提供更好的平衡色差,这将减少视觉失真的机会。另外,相机的大小也受到芯片大小的限制,Thiele说将会努力打印到更小的芯片上。

其实,之前也有一些无人机厂商在无人机上装上了眼镜。

比如说,The Verge 2015年6月曾报道,大疆发布了首款导航系统——超声波传感器和立体照相机组合,使得无人机能探测到65英尺(大约20米)远的物体,并与物体保持一定(预先设置)的距离。


去年11月,极飞科技发布了“天目”无人机视觉系统 (XAIRCRAFT “XCope” UAV Vision System)。该系统融合了双目避障和地形视觉模块,让植保无人机第一次拥有了感知环境的能力,进一步提升了植保无人机的作业效率和安全性。这一技术将作为安全选配,应用于极飞最新发布的P20 2017款植保无人机上。

这项技术同样也是模仿人眼。极飞的双目避障基于视差原理,利用成像设备的两只“眼睛”来获取被测物体的两幅图像,通过计算图像对应点间的位置偏差来获取物体的三维信息,包括摄像头与物体的距离和视线内物体之间的距离等,类似人眼对物体三维信息的感知。

而3D打印与无人机“眼睛”的结合,德国科学家则是第一个吃螃蟹的人。无人机的风潮方兴未艾,无人机的视力问题现在也成为关注的焦点。兴许,未来德国科学家们的小小的摄像机会飞上天空,为无人机照亮整个世界。


关键字:德国科学家  鹰眼3D打印镜头

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/article_2017022310239.html
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