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基于偏振光的視覺導航定位

來源:www.bearrr.com    日期:2019-04-02    點擊次數:

偏振真的能導航 


螞蟻、蟋蟀、甲蟲和蜘蛛等很多昆蟲和節肢動物,都可以通過眼睛上的特殊視錐細胞看到天空中的偏振光,從而判斷方向。蜜蜂能夠飛出蜂巢十幾公裏也能夠正確返回,靠的就是相對于太陽位置的偏振光來導航。 

同樣能夠靠偏振光導航的還有脊椎動物。候鳥可以在日出日落的時候,通過偏振光來校准它們的“羅盤”,綜合其他器官的綜合信息,才能夠跨越上千公裏而不致迷路。 

蝙蝠會在日落時利用偏振光校准它們的導航系統你聽說過嗎?德國的研究團隊就決定一探究竟。他們將蝙蝠放置在兩個箱子中,一個箱子內有90°偏振度的光源,一個箱子完全靠太陽光照射。當研究團隊將兩個箱子驅車運至25公裏外放飛蝙蝠,通過追蹤儀器的記錄發現,陽光組的蝙蝠都能夠正確的找到家,而偏振組的蝙蝠則按照90°的方向飛去,未能找到原來的地方。經過進一步的研究證實,蝙蝠的視錐細胞上覆有不同厚度的膜,以此來達到偏振片的效果,配合其他導航器官的綜合信息,就能夠順利導航。 

▲是不是以前覺得蝙蝠的視力弱爆了?事實上它可能比你的眼睛厲害多了。 


偏振光對于海洋生物來說,同樣可以起到導航作用。美國耶魯大學生物系教授Talbot Waterman在1954年的論文中就指出,水可以充當偏振片一樣的作用,甚至在水下200米處,也能夠有來自水面的偏振光。于是本文的研究團隊,一個集世界上各名校研究人員的明星團隊,決定通過相機+偏振片的形式來驗證:是否海洋生物能夠像陸地生物一樣,可以通過偏振光來進行導航。 


水下發生了什麽? 


從天空到海底的過程中,發生了兩種光學現象:散射和折射。來自太陽和天空的光(天空本身就是陽光散射的産物),通過水面折射入水中。由于水表面的偏振作用,天空被壓縮爲一個球形的圖像,這種現象被稱作“Snell窗口”。 

▲Snell現象在水下攝影中非常常見,本來非常廣闊的天空,在入水後就成了一個球形。 


這些入射的陽光被水面偏振後,夾雜著水下四面八方的內部反射光,以及來自海底的反射光,共同組成了水下的偏振系統。 

▲通過水下偏振相機的拍攝,可以清晰的記錄下太陽高度在10°、45°以及80°時,水下光的偏振度。太陽光越垂直于水面,水下偏振光的角度就越平行于水面;相反太陽高度越低,水下偏振光的角度就越垂直于水面。所以擁有偏振視力的海洋生物完全可以通過這樣的圖片來判斷太陽的方位,以及判斷方向。 


除了太陽的高度位置,包括大氣條件、水質和深度在內的許多因素,都是影響水下光強和偏振角度的因素之一。可能這也是爲什麽海洋生物普遍具有高靈敏視力的原因之一。 

研究團隊使用一款來自IMPERX公司的Bobcat 2MP分辨率GigE接口相機,配合偏振濾光片,組成了一套仿螳螂蝦的視覺系統。還記得大明湖畔的螳螂蝦嗎?這類甲殼綱口足目的動物們有著逆天的16種光感受器——而人類只有4種。大家喜聞樂見的皮皮蝦、濑尿蝦,又叫蝦蛄(Squillidae),就是它們中的一員。 

▲螳螂蝦的眼睛上有一條水平的帶狀區域,這個區域橫掃過它們的視野,不僅是線性偏振光,在這個小區域內甚至還集合了紅外線和紫外線的感受器,堪稱逆天典範。 

研究團隊通過芬蘭、澳大利亞、加勒比海以及夏威夷等不同緯度海域采集的數據,經過綜合計算後,將導航數據應用在科研艇上,航行結果和GPS導航進行比對,平均航向誤差僅爲0.38°,1公裏內誤差僅爲6.6m,這種誤差水平基本已經和沙漠中螞蟻的偏振導航能力差不多了。他們還在系統上加入了一套魚眼透鏡,以此來采集360°視野,這樣不論太陽高度如何,都能夠准確觀測到水中的偏振角度。 

通過這樣一套視覺系統,放在全球不同水域中的水下進行拍攝,配合三軸磁力計和三軸加速計,以及一個電子羅盤,研究團隊得出結論:水下極化線性偏振圖像,完全可以作爲海洋中具有偏振敏感視覺的動物的太陽能羅盤,甚至可以用于全球定位。 

這套水下視覺系統除了相機和偏振片外,還擁有一個運行CentOS Linux的ADL Embedded Solutions QM67PC單板計算機,可通過HDMI接口將實時偏振視頻進行顯示,還能夠讓潛水員實時控制系統。 

▲系統中核心相機就是來自IMPERX公司的Bobcat 2MP分辨率GigE接口相機。該相機擁有超強的魯棒性,可在-40℃~+80℃的寬溫範圍內正常工作,平均無故障時間超過66萬小時,非常適合各種極端環境下的應用。