韓國科學(xué)技術(shù)院的 Ki-Hun Jeong 教授和 Min H. Kim 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用生物啟發(fā)，創(chuàng)造了一種新型相機(jī)，它可以模仿昆蟲眼睛的視覺結(jié)構(gòu)，并能以高靈敏度進(jìn)行超高速成像。這項(xiàng)研究發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）雜志上。

昆蟲的復(fù)眼可以同時(shí)探測到快速移動(dòng)的物體，并在弱光環(huán)境下通過整合時(shí)間信息來確定運(yùn)動(dòng)，從而提高靈敏度。受到這些生物現(xiàn)象的啟發(fā)，KAIST 的研究人員成功地制造出了一種低成本高速相機(jī)，克服了傳統(tǒng)高速相機(jī)的幀頻和靈敏度限制。

在高速、低照度條件下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量成像是許多應(yīng)用領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)。雖然傳統(tǒng)的高速相機(jī)擅長捕捉快速運(yùn)動(dòng)，但其靈敏度會隨著幀頻的提高而降低，因?yàn)榭捎糜谑占?span onclick="sendmsg('pw_ajax.php','action=relatetag&tagname=光線',this.id)" style="cursor:pointer;border-bottom: 1px solid #FA891B;" id="rlt_5">光線的時(shí)間會減少。

圖片:搜狗截圖20250117102559.png

A.復(fù)眼昆蟲的視覺；B.高速、高靈敏度微透鏡陣列相機(jī) （HS-MAC）。

為了解決這一難題，研究團(tuán)隊(duì)采用了一種類似于昆蟲視覺的方法，其中涉及多個(gè)光學(xué)通道和時(shí)間相加。與標(biāo)準(zhǔn)單眼相機(jī)系統(tǒng)不同，受生物啟發(fā)的相機(jī)具有類似復(fù)眼的結(jié)構(gòu)，能夠同時(shí)獲取不同時(shí)間段的圖像。

圖片:sciadv.ads3389-f4.jpg

高速和微光成像的實(shí)驗(yàn)演示

這種技術(shù)能在每個(gè)幀的重疊時(shí)間段內(nèi)累積光線，從而提高信噪比。研究人員證明，他們的生物啟發(fā)相機(jī)可以識別比傳統(tǒng)高速相機(jī)檢測到的物體暗40倍的物體。

研究小組還開發(fā)了一種 “通道分割 ”方法，大大提高了相機(jī)的速度，其幀頻比包裝用圖像傳感器快數(shù)千倍。此外，他們還采用了一種 “壓縮圖像復(fù)原 ”技術(shù)，以消除幀整合引起的模糊，并重新生成清晰的圖像。

由此產(chǎn)生的生物啟發(fā)相機(jī)厚度不到一毫米，非常微小。它每秒可采集 9120 幀圖像，在弱光環(huán)境下也能拍攝出清晰的照片。

研究小組打算將這項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)展到三維和超分辨率成像的高級圖像處理算法，并應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像、移動(dòng)設(shè)備和其他各種相機(jī)技術(shù)。

第一作者，韓國科學(xué)技術(shù)院博士生Hyun-Kyung Kim說：“我們已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了受昆蟲眼睛啟發(fā)的照相機(jī)雖然體積小，但在高速和弱光成像方面性能卓越。這種相機(jī)為便攜式攝像系統(tǒng)、安全監(jiān)控和醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域的多種應(yīng)用提供了可能性�！�

本研究得到了韓國國防技術(shù)規(guī)劃和推進(jìn)研究院（KRIT）、韓國科學(xué)和信息通信技術(shù)部（Ministry of Science and ICT）以及韓國貿(mào)易、工業(yè)和能源部（Ministry of Trade, Industry, and Energy）的資助。

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