仿生眼——怎样仿制大自然最精密聪慧的作品
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作者张晓林
出版社科学出版社
ISBN9787030766946
出版时间2024-06
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定价298元
货号1203305111
上书时间2024-09-05
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目录
目录
第一篇 绪论
第1章 仿生学的使命3
1.1 生物与机器的不同3
1.2 为什么要向生命学习6
1.3 目前的立体视觉传感器与仿生眼的区别7
参考文献9
第二篇 仿生视觉系统的生物学基础与理论前提
第2章 眼睛的种类和构造13
2.1 眼睛的诞生及种类13
2.2 复眼的构造14
2.3 单眼的构造20
2.4 软体动物眼的构造22
2.5 脊椎动物眼的构造23
2.5.1 可动双眼系统的特点及种类23
2.5.2 鹰眼的构造26
2.5.3 人眼的构造29
参考文献39
第3章 眼球运动的种类与定义40
3.1 为什么要研究眼球运动40
3.2 眼球运动的定义42
3.2.1 视觉系统的坐标设定42
3.2.2 生理学领域的眼球运动定义47
3.2.3 基于控制学理论重新定义眼球运动50
3.3 固视微动56
3.3.1 固视微动的意义56
3.3.2 固视微动的定义57
3.3.3 固视眼振的测量59
3.3.4 固视微跳对视觉的作用及在机器视觉的应用69
3.4 小结71
参考文献74
第4章 神经细胞的信号处理原理及数学模型76
4.1 细胞信息传递的几种类型76
4.2 神经细胞的结构和基本功能概述77
4.3 细胞膜电位的形成81
4.4 神经细胞的等效电路与冲动发生原理82
4.4.1 离子电容83
4.4.2 神经细胞膜的等效电路84
4.4.3 神经细胞动作电位的形成87
4.4.4 神经细胞动作电位的传递方式90
4.5 神经细胞的信息处理原理91
4.5.1 神经细胞的电信号的信息表达方式91
4.5.2 神经细胞突触的生理学动作原理92
4.5.3 神经细胞突触的等效电路95
4.5.4 神经细胞的脉冲信号处理原理及数学模型96
参考文献106
第5章 大脑神经系统的概述107
5.1 脑干的构造和功能108
5.2 间脑的构造和功能110
5.3 小脑的构造和功能111
5.4 端脑的构造和功能113
5.4.1 端脑的基本结构113
5.4.2 端脑区域的功能划分115
5.4.3 端脑各功能区的等级和信息流向118
5.4.4 韦尼克区和布罗卡区124
5.4.5 海马区的功能126
5.5 人脑视觉系统的宏观框架127
参考文献129
第三篇 视觉系统的生理学及其数学模型
第6章 眼球运动控制神经系统及其数学模型133
6.1 视神经至大脑视皮质的宏观通路134
6.2 以脑干为中心的眼球运动控制神经系统137
6.3 眼球运动控制系统各要素的数学模型140
6.3.1 眼球的黏弹性模型140
6.3.2 神经核的线性模型141
6.3.3 前庭器官的传递函数141
6.3.4 前庭核到运动神经核之间的传递函数142
6.4 单眼运动控制系统的数学模型及其解析143
6.4.1 单眼运动控制系统的数学模型143
6.4.2 眼球运动控制系统的动态特性分析147
6.4.3 眼球运动控制系统的频率特性分析153
6.4.4 小结158
6.5 双眼运动控制系统的数学模型及其解析159
6.5.1 用于双眼运动控制系统的坐标变换159
6.5.2 与神经回路对应的双眼运动控制神经系统模型160
6.5.3 双眼运动控制模型的解析161
6.5.4 双眼控制系统的参数设定166
6.5.5 视网膜分割处理对双眼运动特性的影响169
6.5.6 小结与讨论174
参考文献174
第7章 上丘的跳跃眼动机制177
7.1 上丘的结构177
7.2 上丘的外部信息通路178
7.3 上丘神经元对视觉信息输入的响应180
7.3.1 上丘浅层神经元的冲动活动180
7.3.2 上丘深层神经元的冲动活动181
7.4 上丘对听觉的响应181
7.5 上丘对体感的响应182
7.6 来自各感觉器官信息的统合183
7.7 上丘的浅层神经元和深层神经元的关系184
7.8 上丘的数学模型及在仿生视觉控制系统中的位置184
参考文献188
第8章 小脑的基本结构及学习控制系统191
8.1 小脑的输入输出191
8.2 小脑神经系统的细胞组织结构194
8.3 小脑神经系统的拓扑结构197
8.4 小脑在视觉控制系统中的位置199
8.5 小脑学习系统的模拟实验201
8.6 神经核的学习功能与小脑学习系统的互补205
8.7 小结207
参考文献208
第9章 大脑的视觉处理功能210
9.1 视网膜的信息处理功能210
9.2 外侧膝状体的结构和神经投射213
9.3 枕叶视皮质的区域划分214
9.4 初级视皮质的神经系统结构215
9.5 视皮质各区域的视觉功能221
9.5.1 V1区的主要视觉功能221
9.5.2 V2区的主要视觉功能222
9.5.3 V3区的主要视觉功能224
9.5.4 V4区的主要视觉功能224
9.5.5 MT（V5区）的主要视觉功能225
9.5.6 枕叶视皮质各区域的信息处理的整体框架226
9.6 视觉信息处理在大脑中的通路226
9.6.1 视觉信息的背侧通路228
9.6.2 视觉信息的腹侧通路231
9.7 海马区的时空认知与信息表征模式236
9.7.1 海马体的位置细胞及认知地图239
9.7.2 哺乳动物的外显记忆与海马的关系241
9.7.3 网格细胞的空间表征模式243
9.7.4 头朝向细胞、边界细胞、速度细胞245
9.7.5 网格细胞与位置细胞的关系247
9.7.6 位置细胞的空间记忆机制248
9.7.7 海马区的信息处理框架249
9.8 额叶的决策与行动249
9.8.1 背外侧前额叶皮质的信息整合250
9.8.2 眶腹内侧前额叶皮质的情绪机制250
9.8.3 额叶眼区及其他前运动区的主动运动控制250
9.9 人脑视觉处理系统整体框架与流程251
9.9.1 三维形状的分级检测252
9.9.2 运动图像的检测252
9.9.3 物体识别253
9.9.4 行动可供性认知255
9.10 脑视觉处理系统对机器视觉的指导意义256
参考文献257
第四篇 仿生眼技术
第10章 仿生眼的硬件系统设计265
10.1 仿生眼的动力学结构265
10.2 仿生眼硬件配置的基本要求268
10.3 仿生眼的信号处理系统269
10.3.1 信息的同步触发、采集、输出与时间戳269
10.3.2 相机全局快门270
10.3.3 仿生眼信息处理与软件系统范例270
10.3.4 多通道并行处理及多眼联动模式272
10.3.5 仿生视网膜272
10.4 仿生眼的小型化与巨型化274
10.4.1 仿生眼的小型化274
10.4.2 鹰眼与巨人眼275
参考文献277
第11章 仿生眼运动控制所需的图像处理278
11.1 特征点与特征线的提取算法278
11.1.1 传统手工设计的图像特征提取279
11.1.2 基于深度神经网络学习的图像特征提取283
11.2 特征点与特征线的匹配算法283
11.2.1 基于特征描述子的特征匹配284
11.2.2 基于像素跟踪的特征匹配285
11.2.3 基于深度神经网络的特征匹配286
11.3 目标追踪算法287
11.4 光流检测算法290
11.4.1 概述290
11.4.2 传统光流检测算法292
11.4.3 有监督光流检测算法292
11.4.4 无监督光流检测算法299
参考文献300
第12章 仿生眼的标准位姿与动态标定305
12.1 标准辐辏概念的提出306
12.1.1 平行视双目相机的定义及立体视觉原理306
12.1.2 标准辐辏和正标准辐辏的定义308
12.1.3 虚拟平行视面图像变换及深度计算310
12.2 标准辐辏误差314
12.2.1 标准辐辏状态的意义315
12.2.2 标准辐辏误差算法315
12.3 动态标定319
参考文献323
第13章 仿生眼的运动控制系统325
13.1 仿生眼运动控制神经系统整体框架325
13.2 双眼协同运动控制的功能与特性326
13.2.1 仿生眼的共轭运动和辐辏运动的模型与分析327
13.2.2 仿生眼的共轭运动和辐辏运动的实验验证329
13.3 全位姿前庭眼反射的控制332
13.3.1 前庭眼反射控制系统333
13.3.2 前庭眼反射实验335
13.4 跳跃眼动控制系统342
13.4.1 过往跳跃眼动的研究343
13.4.2 跳跃眼动的数学模型343
13.4.3 跳跃眼动的实验346
13.5 视动性反应控制系统350
13.6 颈眼联动系统353
参考文献354
第14章 仿生眼后端的高级视觉处理技术356
14.1 三维重建356
14.1.1 概述356
14.1.2 双目视觉三维重建算法358
14.1.3 立体匹配算法359
14.1.4 位姿估计算法361
14.1.5 其他视觉三维重建算法361
14.1.6 主动式三维重建362
14.2 视觉语义感知算法363
14.2.1 图像分类363
14.2.2 图像目标检测365
14.2.3 图像的语义/实例/全景分割367
14.3 边缘检测369
14.3.1 概述369
14.3.2 语义边缘算法371
14.3.3 语义边缘的扩展应用373
参考文献373
第五篇 视觉背后的意识与类脑系统
`第15章 视觉意识空间381
15.1 意识的一般概念和定义381
15.2 意识空间概念的提出385
15.3 意识空间设定原则及描述方式387
15.3.1 意识空间的设定原则387
15.3.2 网格细胞的数学原理390
15.4 构建视觉意识空间的要素技术392
15.4.1 物理建模393
15.4.2 状态意识空间关联技术399
15.4.3 场景意识空间关联技术404
15.4.4 长期记忆与知识图谱414
15.4.5 小结420
15.5 状态意识空间的定位与导航421
15.5.1 机器人定位与建图421
15.5.2 视觉导航与避障423
15.5.3 全局与局部路径规划425
参考文献425
第16章 视觉类脑系统430
16.1 视觉类脑系统框架430
16.2 注意力机制436
16.2.1 注视点预测437
16.2.2 显著性目标检测440
16.2.3 注意力机制的发展方向445
16.3 多模态信息融合447
16.3.1 信息同步447
16.3.2 多模态信息的语义融合448
16.4 类脑芯片的开发与云脑系统449
16.4.1 机端脑芯片的开发449
16.4.2 云脑的开发451
16.5 视觉类脑系统的开发现状453
16.5.1 小型仿生眼的性能455
16.5.2 鹰眼与巨人眼的性能461
16.5.3 人形机器头脑465
16.6 小结467
参考文献468
第六篇 尾声
第17章 仿生眼技术的应用探索473
17.1 3D影视拍摄系统473
17.2 3D远程遥控机器人系统476
17.3 仿生眼在机器人导航及避障系统的应用477
17.4 仿生眼与手眼协调控制系统478
17.5 利用仿生眼原理的固定双目的应用479
17.6 小结481
参考文献482
第18章 结束语483
名词解释487
缩写一览表497
内容摘要
眼睛是自然界最精密复杂的机器。本书融合了作者及其团队在机器人视觉领域、神经生理学领域和仿生学领域的三十多年的研究成果，从人眼的生理结构和其运动控制神经系统的描述出发，贯穿生物视觉系统的数学模型，涉及图像处理、类脑框架及智能决策，直到运动控制的整个仿生眼系统。全书共16章，分别介绍了仿生学的使命、眼睛的种类和构造、眼球运动的种类与定义、神经细胞的信号处理原理及数学模型、大脑神经系统的概述和类脑系统的框架、基于脑干的眼球运动控制神经系统及数学模型、上丘的跳跃眼动机制、小脑的基本结构及学习控制系统、大脑的视觉处理功能，最后还介绍了仿生眼的制备，具体包括仿生眼的硬件系统设计、仿生眼的基础图像处理、仿生眼的标准辐辏与动态标定、仿生眼的运动控制系统、视觉意识空间、仿生眼的类脑系统，以及仿生眼领域的总结与展望。
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