一种生物视觉感知机制研究用实验装置

摘要

本发明提供一种生物视觉感知机制研究用实验装置，包括高速图像采集与分析模块、虚拟场景显示模块、生物力测量模块；虚拟场景显示模块包括由四块曲面屏幕及计算机，生物力测量模块采用在标准环境的实验力传感检测装置；生物力测量模块包括力学采集装置、铰接悬挂臂装置和信号采集调理模块组成；高速图像采集与分析模块包括高速采集工业相机，高速采集工业相机位于生物观察标准环境正右方并连接计算机，本发明的虚拟显示场景可以根据现实中的生物的位姿变化产生的力与力矩的变化，改变虚拟场景中的相应的空间位姿，并通过视觉刺激反馈给现实中生物实现生物行为和虚拟场景互动，构成一个完全交互式的虚拟现实闭环实验系统。

说明书

技术领域

本发明属于生物行为采集、分析及仿生技术领域，具体涉及一种生物视觉感知机制研究用实验装置。

背景技术

虚拟显示场景的作用是利用计算机图形和动画技术提供人工视觉刺激，通过使用虚拟方法生成的刺激物，增加研究对象沉浸感，研究人员课通过研究动物视觉运动控制中的行为来设计自动导航机器人、和多智能体人工智能。

现有技术往往采用非反馈方式的虚拟场景，比如视频回放等，这种方式影响生物的沉浸体验，导致实验对象产生非正常的反应行为，影响实验结果。而且，现有技术研究生物飞行轨迹往往采用多角度高速相机进行抓拍，并且需要在特定的环境下进行，不能针对特定角度研究生物的飞行姿态，并且不能记录研究对象的视场信息，降低了生物视觉的研究性。

发明内容

本发明的目的是提供一种生物视觉感知机制研究用实验装置，以解决背景技术中所提出的缺陷或问题。

为实现上述发明目的，本发明的实施例提供一种生物视觉感知机制研究用实验装置，其特征在于，包括高速图像采集与分析模块、基于力-行为反馈的虚拟场景显示模块、生物力测量模块三个模块；

其中，所述基于力-行为反馈的虚拟场景显示模块包括由四块曲面屏幕及用于搭建虚拟场景的计算机，四块所述曲面屏幕组成一整块封闭的圆环状屏幕，所述圆环状屏幕用于为生物提供不同虚拟环境的视觉信息；用于虚拟场景搭建的所述计算机安装有能够输出四个视频信号的视频数据接口，所述计算机通过四个视频数据接口与四块曲面屏幕通过高清数据线相连接，所述计算机包括主机和显示器；所述计算机通过四块曲面屏幕所形成的圆环状屏幕提供虚拟现实场景；

所述生物力测量模块采用在标准环境的实验力传感检测装置；所述生物力测量模块包括力学采集装置、铰接悬挂臂装置和信号采集调理模块组成；所述力学采集装置包括扭矩力学传感器，所述扭矩力学传感器固定连接在铰接悬挂臂装置上，所述铰接悬挂臂装置在扭矩力学传感器下方设置有用于固定实验生物的粘连棒；所述信号采集调理模块用于将力学采集装置、扭矩力学传感器产生的电信号转变成数字信号并隔离传送到计算机，并有效地抑制设备之间信号干扰；

所述高速图像采集与分析模块包括高速采集工业相机，所述高速采集工业相机位于生物观察标准环境正右方并通过GigE-USB3.0接口数据线连接计算机，所述高速采集工业相机用于对实验观察环境下生物飞行姿态的图像采集，并将图像传送到计算机中分析生物在飞行中的空间位置以及连续时间内偏离预设位置方向的偏航角度，该偏航角度可用于矫正生物飞行中现实环境下与虚拟环境下产生的空间位姿的偏差。

进一步的，所述计算机接收到信号采集调理模块的信号后，将力信号变化转换为虚拟场景中生物的位姿改变，将扭矩信号的变换转换为虚拟场景中生物偏航角的变换，并将虚拟场景中的位姿和偏航角的变换成图像的运动变换，且根据力信号和扭矩信号的变化率越强图像运动变换越强，在连接正常场景的变换反馈给现实中的实验生物，由此形成闭环系统。

进一步的，所述计算机安装有图像采集处理软件与高速采集工业相机所对应的程序功能包。

进一步的，所述高速采集工业相机通过一相机支撑架支撑，所述相机支撑架包括第一底座、垂直固定在底座上的第一竖直杆及垂直于第一竖直杆的固定横杆，所述高速采集工业相机固定在固定横杆的自由端部，所述固定横杆通过一第一套管套接在第一竖直杆的外侧并通过一第一螺栓进行定位在第一竖直杆上。

进一步的，所述铰接悬挂臂装置包括铰链悬臂支撑架、升降调节支撑臂和角度调节链接杆；所述铰链悬臂支撑架包括第二底座和第二竖直杆；所述第二竖直杆竖直固定在第二底座上，所述升降调节支撑臂通过第二套管套接在第二竖直杆的外侧并通过一第二螺栓定位在第二竖直杆上，所述角度调节链接杆转动连接在升降调节支撑臂上，所述力度采集装置固定在角度调节链接杆上。

优选的，所述角度调节链接杆与升降调节支撑臂采用棘轮机构连接方式转动连接。

优选的，所述第一螺栓和第二螺栓为梅花手柄型螺栓。

优选的，所述生物力测量模块包括测量扭矩力/反力的测量模块。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

（1）本发明所反馈的虚拟显示场景可以根据现实中的生物的位姿变化产生的力与力矩的变化，改变虚拟场景中的相应的空间位姿，并通过视觉刺激反馈给现实中生物实现生物行为和虚拟场景互动，增加实验对象沉浸性，构成一个完全交互式的虚拟现实闭环实验系统。

（2）本发明的装置可以对生物飞行提供虚拟的飞行环境、不仅可以对生物飞行的场景进行反馈变化，并且可以记录生物在虚拟环境中的飞行轨迹，并记录生物视角的视场信息，这种生物行为检测装置可进行生物行为的科学、工程方面研究，有利于生物学家和计算机科学家深化这领域的跨学科研究。

（3）本发明采用闭环研究系统为生物飞行提供虚拟的飞行环境、对生物进行飞行的场景反馈变化，使研究对象与虚拟环境实现互动，增强试验对象沉浸性。

（4）本发明基于生物视觉，为生物飞行提供实时反馈的虚拟场景，增加研究生物沉浸感，互动性。

（5）本发明的高速图像采集与分析模块可以更加快速准确的采集生物姿态的信息，弥补生物力（扭矩力/反力）测量模块中非自由飞行状态下存在的不足，提高反馈场景准确率与真实性；记录生物在虚拟环境中的飞行轨迹，可从生物角度分析，记录研究对象视场信息，以及用于研究生物视觉场景与视觉导航行为间的关系。

附图说明

图1为本发明中一种生物视觉感知机制研究用实验装置的结构示意图。

图2为本发明中力学采集装置的结构示意图；

附图标记说明：1、相机支撑架；2、第一螺栓；3、曲面显示屏；4、高速采集工业相机；5、铰链悬臂支撑架；6、第二螺栓；7、升降调节支撑臂；8、角度调节链接杆；9、力学采集装置；10、信号采集调理模块；11、主机；12、显示器；13、扭力学传感器；14、粘连棒。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作为广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1和图2所示，一种生物视觉感知机制研究用实验装置，包括高速图像采集与分析模块、基于力-行为反馈的虚拟场景显示模块、生物力（扭矩力/反力）测量模块三个模块。

其中，所述基于力-行为反馈的虚拟场景显示模块包括由四块曲面屏幕3及用于搭建虚拟场景的计算机，四块曲面屏幕3组成一整块封闭的圆环状屏幕，圆环状屏幕用于为生物提供不同虚拟环境的视觉信息；用于虚拟场景搭建的计算机安装有能够输出四个视频信号的视频数据接口，所述计算机通过四个视频数据接口与四块曲面屏幕3通过高清数据线相连接，所述计算机包括主机11和显示器12；所述计算机通过四块曲面屏幕3所形成的圆环状屏幕提供虚拟现实场景。所述计算机接收到信号采集调理模块10的信号后，将力信号变化转换为虚拟场景中生物的位姿改变，将扭矩信号的变换转换为虚拟场景中生物偏航角的变换，并将虚拟场景中的位姿和偏航角的变换成图像的运动变换，且根据力信号和扭矩信号的变化率越强图像运动变换越强，在连接正常场景的变换反馈给现实中的实验生物，由此形成闭环系统。

所述生物力（扭矩力/反力）测量模块采用在标准环境的实验力传感检测装置；所述生物力（扭矩力/反力）测量模块包括力学采集装置9、铰接悬挂臂装置5和信号采集调理模块10组成；所述力学采集装置9包括扭矩力学传感器13，所述扭矩力学传感器13固定连接在铰接悬挂臂装置上，所述铰接悬挂臂装置在扭矩力学传感器13下方设置有用于固定实验生物的粘连棒14；所述信号采集调理模块10用于将力学采集装置9、扭矩力学传感器10产生的电信号转变成数字信号并隔离传送到计算机，并有效地抑制设备之间信号干扰；在进一步的实施例中，所述铰接悬挂臂装置包括铰链悬臂支撑架5、升降调节支撑臂7和角度调节链接杆8；铰链悬臂支撑架5包括第二底座、第二竖直杆；所述第二竖直杆竖直固定在第二底座上，所述升降调节支撑臂7通过第二套管套接在第二竖直杆的外侧并通过一第二螺栓6定位在第二竖直杆上，所述角度调节链接杆8转动连接在升降调节支撑臂7上，所述力度采集装置9固定在角度调节链接杆上。优选的，所述角度调节链接杆8与升降调节支撑臂7采用棘轮机构连接方式转动连接。

所述高速图像采集与分析模块包括高速采集工业相机4，所述高速采集工业相机4位于生物观察标准环境正右方并通过GigE-USB3.0接口数据线连接计算机，所述高速采集工业相机4用于对实验观察环境下生物飞行姿态的图像采集，并将图像传送到计算机中分析生物在飞行中的空间位置以及连续时间内偏离预设位置方向的偏航角度，该偏航角度可用于矫正生物飞行中现实环境下与虚拟环境下产生的空间位姿的偏差。在本发明进一步的实施例中，所述计算机安装有图像采集处理软件与高速采集工业相机4所对应的程序功能包。 在进一步的实施例中，所述高速采集工业相机4通过一相机支撑架1支撑，所述相机支撑架1包括第一底座、垂直固定在底座上的第一竖直杆及垂直于第一竖直杆的固定横杆，所述高速采集工业相机固定在固定横杆的自由端部，所述固定横杆通过一第一套管套接在第一竖直杆的外侧并通过一第一螺栓2进行定位在第一竖直杆上。优选的，所述第一螺栓2和第二螺栓6为梅花手柄型螺栓。

本发明的具体实施例的工作过程：

S1、实验生物固定及虚拟场景准备：装置安装完成后，将实验生物固定在粘连棒的下方，并将实验生物置于高速相机视野的正中央，并将四块曲面屏幕所形成的圆环状屏幕通过视频数据线与计算机相连，最后打开虚拟仿真软件以提供虚拟场景。

S2、调整实验装置使得实验生物适应虚拟场景，具体步骤如下：

在固定实验生物后，打开整个实验系统，当生物发生飞行行为，产生一定的生物力，生物力测量模块的力学采集装置采集生物的力学信号，通过信号采集调理模块用于将力学采集装置、扭矩力学传感器产生的电信号转变成数字信号并隔离传送到计算机，计算机接收到信号采集调理模块的信号后，将力信号变化转换为虚拟场景中生物的位姿改变，将扭矩信号的变换转换为虚拟场景中生物偏航角的变换，并将虚拟场景中的位姿和偏航角的变换成图像的运动变换，且根据力信号和扭矩信号的变化率越强图像运动变换越强，通过观察生物对虚拟场景变化的行为，通过调整虚拟场景的图像的变换系数，使得实验生物适应虚拟场景，由此完成虚拟现实场景的调试。

S3、生物视觉感知机制研究的实验过程：实验过程中通过在虚拟场景中添加人工刺激，除此不对实验生物添加其他外部环境刺激，整个虚拟在正常工作下，通过场景的变换反馈给予现实中的实验生物相应的视觉刺激，使得实验生物产生相应的行为变化，实验生物的行为变化又为虚拟场景的变化提供相应的力学信号，由此形成闭环系统，增强实验生物沉浸体验,提高了互动性，构成一个完全交互式的虚拟现实闭环实验系统。

S4、相机采集图像、计算机分析偏航角度并矫正：高速采集工业相机对实验观察环境下实验生物飞行姿态的图像进行采集，并将所采集到的图像传送到计算机中，计算机分析生物在飞行中的空间位置以及连续时间内偏离预设位置方向的偏航角度，该偏航角度可用于矫正生物飞行中现实环境下与虚拟环境下产生的空间位姿的偏差，以此弥补生物力（扭矩力/反力）测量模块中非自由飞行状态下存在的不足，提高反馈场景准确率与真实性；记录生物在虚拟环境中的飞行轨迹，可从生物角度分析，记录研究对象视场信息，以及用于研究生物视觉场景与视觉导航行为间的关系。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。