科学家模仿昆虫复眼，制造出每秒9120帧的相机

KAIST研发仿昆虫眼相机，每秒9120帧，低光高敏感。

(A) 快速视觉昆虫的光视觉。快速移动物体反射的光线依次刺激每个称为小眼的单个光学通道的感光细胞，这些视觉信号通过层板和髓质分开并并行处理。每个神经反应在时间上相加以增强视觉信号。并行处理和时间总和允许在昏暗光线下进行快速和低光成像。(B) 高速高敏感微透镜阵列相机(HS-MAC)。利用滚动快门图像传感器通过通道分割同时获取多个帧，并行进行时间总和，以实现即使在低光环境下也能保持高速和敏感度。此外，单个碎片化阵列图像的帧组件被拼接成一个单一的模糊帧，随后通过压缩图像重建去模糊。

昆虫的复眼可以并行检测快速移动的物体，在低光条件下，通过时间上的信号整合来增强对运动的敏感性。受到这些生物机制的启发，KAIST的研究人员成功开发了一种低成本、高速相机，克服了传统高速相机在帧率和敏感性方面的局限性。他们的研究发表在《科学进展》上。

由Bio和Brain工程系的Ki-Hun Jeong教授和计算学院的Min H. Kim教授领导的研究团队，开发了一种新颖的仿生相机，通过模仿昆虫眼睛的视觉结构，实现了高敏感度的超高速成像。

在高速和低光条件下实现高质量成像是许多应用中的一个关键挑战。虽然传统的高速相机擅长捕捉快速运动，但随着帧率的增加，其敏感性会降低，因为收集光线的时间减少了。

为了解决这一问题，研究团队采用了类似昆虫视觉的方法，使用多个光学通道和时间总和。不同于传统的单眼相机系统，这个仿生相机采用了类似复眼的结构，允许从不同时间段并行获取帧。

在这个过程中，光在重叠的时间段内积累，每个帧的信噪比因此提升。研究者证明，他们的仿生相机能够捕捉到比传统高速相机能够检测到的暗40倍的物体。

这款高速、高敏感的仿生相机包装在一个图像传感器中，尺寸小到可以放在手指上，厚度不到1毫米。

使用高速、高敏感仿生相机捕捉的旋转盘和火焰。旋转盘以1,950转每分钟的速度准确地在9,120帧每秒下被捕捉。此外，火焰的断裂在光强度为880微勒克斯的微弱条件下，以1,020帧每秒准确捕捉。

研究团队还引入了“通道分裂”技术，显著提高了相机的速度，达到了比包装中使用的图像传感器支持的帧率快数千倍的速度。此外，他们还采纳了“压缩图像恢复”算法来消除因帧整合引起的模糊并重建清晰图像。

由此产生的仿生相机厚度不到1毫米，极为紧凑，能够每秒捕捉9120帧，同时在低光条件下提供清晰图像。

研究团队计划将这项技术扩展到开发用于3D成像和超分辨率成像的高级图像处理算法，旨在应用于生物医学成像、移动设备以及其他多种相机技术。

KAIST Bio和Brain工程系的博士生、研究的第一作者Hyun-Kyung Kim表示：“我们已经实验验证了这个仿昆虫眼相机在高速和低光成像方面表现出色，尽管其尺寸小巧。这种相机为便携式相机系统、安全监控和医学成像领域开辟了多种应用可能性。”

本文译自 techxplore，由 BALI 编辑发布。