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設(shè)備與工具
一只老鷹必須能看清楚遠方的物體，從而發(fā)現(xiàn)可以捕獲的獵物，或者察覺周邊的威脅。鷹可以看的距離比人遠四到五倍。如果你擁有鷹一樣的視力，你可以站在10層樓上看到地面一只的螞蟻。坐在球場最遠處的位置，也能看清籃球遠動員臉上的表情。
對無人機來說，這種出色的視力也十分重要，雖然無人機的眼睛很小，只有圓珠筆的筆尖那么大。
現(xiàn)在德國的工程師團隊給出了一個不錯的選擇。
德國斯圖加特大學做了一個3D打印鏡頭，可以用來做小型攝像機的監(jiān)視系統(tǒng)，比如昆蟲大小的無人機。也可以用于醫(yī)療方面，比如說內(nèi)窺鏡檢查，或者用于小型機器人，尤其是用于測量、探索或者調(diào)查的機器人。該項目的最終目標是開發(fā)鷹眼3D打印相機鏡頭。
這項新技術(shù)發(fā)表2月15日發(fā)表在期刊Science Advances上。我們來具體看下這是個什么樣的鏡頭。
這個鏡頭里面裝了4個小的3D打印熟料鏡頭，每一個具有不同的焦距，且已經(jīng)3D打印到單個圖像芯片上。
如下所示，這四個鏡頭的視界從大到小，分辨率從低到高都能涵蓋，幾個鏡頭匯聚的圖像可以集合到一個靶心，從而達到銳利如鷹的“視力”。
這是第一次將一個復(fù)雜的成像系統(tǒng)成功地3D打印到芯片上，形成了一個多孔徑的相機。
3D打印的透鏡系統(tǒng)不僅產(chǎn)生更接近有機視場的圖像，與常規(guī)圖像相比，還可以減少所需的功率和處理時間。這是因為只有捕獲的圖像的中心將需要密集處理。
圖1：加特大學的鷹眼攝像機拍攝的圖像
不過，這樣也不是沒有缺點。這項研究報的主要作者Simon Thiele指出，因為光線會較多地匯聚到中間，對外圍事物信息的獲取將會減少。
需要指出的是，這種鏡頭占據(jù)的空間，占據(jù)的面積只有300μm×300μm（長度和寬度上相當于人類的6倍）。因此，這種鏡頭完全可以安裝到小型的無人機和機器人當中，在巡航的過程中，記錄周圍環(huán)境的圖像。
雖然鏡頭這么小，但是德國的科學家們對這項技術(shù)的前景仍然非常期待。
“最讓我興奮的是應(yīng)用領(lǐng)域是內(nèi)鏡和無人機，如果我們可以提供使用藥丸大小的‘鷹眼’攝像頭，我們就可以改善人體內(nèi)部的成像。無人機也是一樣，它攜帶的‘鷹眼’攝像機視力可能會跟普通相機一樣好?！?
圖2：漏斗狀視野匯聚了更多的細節(jié)在女人的眼鏡上，外圍逐漸模糊
人類和很多脊椎類動物的視野呈現(xiàn)“漏斗狀”（"foveated" vision）。視覺中心最清晰，而邊緣則比較模糊。而這種設(shè)計和技術(shù)，其實是在模仿人眼或者動物眼鏡的成像原理。人會用兩只眼睛收集光線，然后大腦會把很多圖像的碎片，來匯聚成一個完整、清晰的圖像。
由于頂部有一定的曲率，四個鏡頭當中的每一個都有特定的視線，透過每個鏡頭去看，會發(fā)現(xiàn)中心清晰而邊緣模糊。把他們聚合在一塊（如圖1右下角所示），他們就會從多個視角收集光線，來共同形成一個圖片。
人眼示意圖
在這個過程當中，一個主要的障礙是通過層狀材料（layering material），做成一個具備光學性能的鏡頭。為了做成一個完整的相機，設(shè)計師Amos Dudley不得不通過各種處理方法，來避免人肉眼能辨別出鏡片分層的問題。
雖然斯圖加特大學的“鷹眼”鏡頭仍然有微觀層的分離，但是鏡頭的設(shè)計掩蓋這個缺點，讓它變得無傷大體。根據(jù)光學原理，光纖自上而上透過，而不是從側(cè)面透過，這樣微觀層的問題就不會影響光線的走向。
目前，這項技術(shù)有一定的局限性。例如，現(xiàn)在只能使用一種類型的塑料材料來附加地制造透鏡。而多材料透鏡可以提供更好的平衡色差，這將減少視覺失真的機會。另外，相機的大小也受到芯片大小的限制，Thiele說將會努力打印到更小的芯片上。
其實，之前也有一些無人機廠商在無人機上裝上了眼鏡。
比如說，The Verge2015年6月曾報道，大疆發(fā)布了首款導(dǎo)航系統(tǒng)——超聲波傳感器和立體照相機組合，使得無人機能探測到65英尺(大約20米)遠的物體，并與物體保持一定(預(yù)先設(shè)置)的距離。
去年11月，極飛科技發(fā)布了“天目”無人機視覺系統(tǒng) （XAIRCRAFT “XCope” UAV Vision System）。該系統(tǒng)融合了雙目避障和地形視覺模塊，讓植保無人機第一次擁有了感知環(huán)境的能力，進一步提升了植保無人機的作業(yè)效率和安全性。這一技術(shù)將作為安全選配，應(yīng)用于極飛最新發(fā)布的P20 2017款植保無人機上。
這項技術(shù)同樣也是模仿人眼。極飛的雙目避障基于視差原理，利用成像設(shè)備的兩只“眼睛”來獲取被測物體的兩幅圖像，通過計算圖像對應(yīng)點間的位置偏差來獲取物體的三維信息，包括攝像頭與物體的距離和視線內(nèi)物體之間的距離等，類似人眼對物體三維信息的感知。
而3D打印與無人機“眼睛”的結(jié)合，德國科學家則是第一個吃螃蟹的人。無人機的風潮方興未艾，無人機的視力問題現(xiàn)在也成為關(guān)注的焦點。興許，未來德國科學家們的小小的攝像機會飛上天空，為無人機照亮整個世界。
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