电子蛙眼应用范围探营工博会｜上海工程技术大学：“电子蛙眼”消除驾驶感知盲区，助推自动驾驶落地|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

探营工博会｜上海工程技术大学：“电子蛙眼”消除驾驶感知盲区，助推自动驾驶落地

9月17-21日，以“智能、互联——赋能产业新发展”为主题的第21届中国国际工业博览会在国家会展中心（上海）举办。今年74所国内外参展高校，携大批最新的原创性科技成果惊艳亮相，集中展示代表中国高校最高水平的科研创新项目。工博会高校展区位于国家会展中心（上海）6.2H馆。

此次，上海工程技术大学技术团队带着“车路协同感知系统”项目亮相工博会。

电子蛙眼——基于路侧边缘计算的车路协同感知基站，旨在服务于城市智慧交通，帮助实现更安全、更有序、更高效的驾驶和交通。感知基站主要由长焦距监控相机、多线程激光雷达、GPU工控机和5G通讯模块组成，实现车辆轨迹跟踪、交通信号灯识别、突发事件监测等功能。基站安装在道路交叉路口，利用其超远的视距和感知范围，能够捕获周围200米以内的动态场景（行人、机动车、非机动车）。

利用人工智能深度学习神经网络对采集到的图像信息和雷达点云进行处理，实现车辆轨迹跟踪、行人姿态估计、交通信号灯识别、突发事件监测等功能。并通过V2X通讯技术将参数化的数据实时传送给车载终端，为行驶车辆提供其周围的全局动态数据。将单个自动驾驶车辆昂贵的感知成本集中到道路等公共设施中，对于改善城市道路交通拥堵问题，提升个人驾驶安全，节约自动驾驶的单车成本，加快推进自动驾驶技术落地等方面具有重要的意义。

提升驾驶安全，加速自动驾驶落地

提升交叉路口驾驶安全。 通过将基站感知到的路口全局信息实时的传输给车载终端，实现车路信息交互，弥补驾驶员及车辆的感知盲区，为车辆的变道预警、碰撞预警提供辅助的甚至必要的决策信息，可极大的降低人为因素导致的安全事故，提升驾驶安全。

提升交通通行效率。 根据交通灯检测和路口车流量监控，对道路拥堵情况进行判别，实时优化交叉路口的信号灯配时。同时，根据道路拥堵情况为接收数据的车辆提供换行建议，实现路口的有序通行，大幅提升道路通行率。

加速自动驾驶的落地。 利用基站同时为多个车辆提供路况信息，降低单车智能成本以及技术要求，促进自动驾驶提前落地。为自动车辆提供其感知范围之外的道路信息，如前方车辆三维数据、行人轨迹数据，达到车辆和基础设施之间智能协同与配合，利用基站的长距离感知（200m）能力，大大增强自动驾驶车辆的感知范围。为自动驾驶车辆提供足够的决策依据，自动驾驶车辆本身发展的复杂度也会大大降低，成本也随之下降，自动驾驶商业化可以提前到来。

攻克多个技术难点

基于固定位姿单目相机与激光点云的道路三维场景重建。感知系统为单目长焦距相机和多线程激光雷达，由于测试基站需要感知150m之外的道路场景，且相机投影矩阵导致其对远景效果感知较弱，激光雷达的点云数据在近点与远点的分布密度差异很大。因此，如何通过单目相机逆投影矩阵解析道路场景关系，通过激光点云识别目标物体轮廓和三维尺寸，得到清晰完整的复杂道路场景的三维空间动态结构图，并实时传送给工控机处理单元，是实现交叉路口场景自适应感知的基础。

主要技术路线

车辆-行人综合姿态估计和连续性轨迹跟踪。建立车辆和行人连续性轨迹跟踪模型是本项目的核心问题，为此需要在高动态场景的约束下，应对车辆-行人的静止、恒速、变速、转向等多种运动形式，设计具有实时跟踪并具备高精度的深度学习模型。因此，如何在多场景在环和实际道路测试基础上，研究快速特征提取的卷积神经网络架构，结合车辆特征和尺寸等先验知识，获得精确的动态目标跟踪和定位，是路口场景感知的关键问题。

复杂道路场景下的时域-空域关联模型建立与异常事件成本函数建模。构建道路时域-空域场景模型是感知异常事件的关键点，诸如事故、拥堵等影响道路正常通行的突发事件。为此需要在根据图像提取的背景，动态物体三维位置和尺寸，速度和方向等多个维度建模的前提下，研究确立可参数化表示的异常事件判定指标，确立该指标自变量和因变量的对应模型关系，进而构建异常事件成本函数，自适应配置预警触发阈值，实现异常事件及时检测与预警。

科学探索丨探秘神奇的眼睛

眼睛大概是动物世界中最变化多样的。动物经过数百万年的进化形成了10 种以上特殊的视力系统，以适应它们各自的生存需要。从鸟类到鱼类，从爬行类到哺乳类，科学家们从动物身上获得灵感，参照不同的动物眼睛设计出高性能的人造眼睛。

让我们先来了解一下动物奇特的眼睛吧！

视力“动”“静”迥异的青蛙眼睛

有人说，青蛙虽然是喜欢吃苍蝇的，但是，它只吃活的、飞行着的苍蝇，如果让青蛙坐在死苍蝇堆里没准儿它会被饿死。这是为什么呢？因为青蛙有一双奇特的眼睛，它对运动的物体简直是“明察秋毫”，对静止的物体反应却是非常迟钝。青蛙的眼睛既不能像人类的眼睛那样轻微颤动，又没有特定的肌肉来调节突出的晶状体，它实际上是近视眼，只有附近运动着的物体，才能在它的眼睛这个“屏幕”上留下影像。因此，如果人站在路旁、沟边一动不动，青蛙就不会受惊逃走；而一旦人处于走动状态，这些青蛙就会因受惊而到处乱跳。

面对各种飞动的小动物，为什么青蛙可以立即识别出哪个是它最喜欢吃的苍蝇，而对其他飞动的小动物无动于衷呢？这是因为青蛙眼睛视网膜上的神经细胞非常特殊，与人眼具有的视锥细胞和视杆细胞两种视觉细胞不同，蛙眼有五类视觉细胞，其中一类只能分辨不同的颜色，而其余四类则分别捕捉运动目标的不同特征，然后再将信息传递到青蛙大脑的视觉中枢。青蛙的视觉中枢称为视顶盖，对应于前述的四类视觉细胞，在视顶盖中也有自上而下排列的四层视觉中枢神经细胞。第一层是根据运动目标与背景的反差，识别目标的暗前缘和后缘的特征，如蚊子、苍蝇、飞鸟等，它们的特征是不同的；第二层主要是识别运动目标凸出来的边缘；第三层是识别运动目标的外周边缘；第四层则主要是识别运动目标的暗前缘的明暗变化，帮助它判断其运动轨迹。这四层神经细胞所感受的影像就好像画在四张透明纸上的图画，视觉中枢飞速地将它们整合在一起，从而就形成了一幅完整的图像。这种生理结构可以使青蛙的眼睛将复杂的图像分解成几种易于辨别的特征，从而使它能准确而灵敏地发现目标。因此，在各种飞动的小动物中，青蛙可以立即识别出哪个是它最喜欢吃的苍蝇，而对其他飞动的小动物或静止的物体就没有什么反应。

青蛙的眼睛帮助青蛙敏捷地发现运动着的物体，且迅速、准确无误地判断目标的位置、运动方向、速度，识别出目标物体的形状，并且立即选择最佳攻击时间和攻击姿态。仿生学家根据这一特点成功研制出了电子蛙眼。与青蛙眼一样，电子蛙眼也设计了四种检测器，即识别图像的反差、凸边、边缘、阴暗四种功能。将电子蛙眼应用于雷达，就可以使雷达像蛙眼一样，敏锐、迅速地发现、跟踪飞行中的目标，准确地识别出特定形状的飞机、导弹等。电子蛙眼还可以根据导弹固有的飞行特征，区别真导弹和假导弹，从而大大提高军队的作战能力和防御能力。此外，电子蛙眼也大量应用于公路上的超速检测中。

对于按规定速度行驶的车辆，电子蛙眼可以视而不见；一旦车辆超速，电子蛙眼就会灵敏地捕捉到目标，并拍下照片作为证据。对于闯红灯的车辆，电子蛙眼也能在预装指令的驱动下，立即追踪拍照。在几分钟内就有数架飞机起降的大型机场，如果只靠人工观察，很容易疲劳出错，弄不好将发生机毁人亡的悲剧。因此，机场都安装了电子蛙眼，便于及时捕捉飞机起降信息，一旦有差错，电子蛙眼会立即报警。此外，人们还根据蛙眼的特征发明了蛙眼相机，专门用于拍摄运动物体；蛙眼自行车则可以帮助骑车的人及时发现周围移动的物体。我们还能将蛙眼的特征应用到哪些领域呢？请打开你的脑洞，也许你就是下一个发明者。

昆虫的复眼

什么是复眼？在生物界，一些昆虫的眼睛非常奇特，它们的一只眼睛竟然有几只甚至成千上万只小眼睛。更奇特的是，每只小眼睛都发育有自成一体的一套视觉系统，都能看见物体。这种奇特的眼睛在动物学上叫作复眼。蜻蜓、螳螂、蜘蛛、蜜蜂、苍蝇等昆虫的眼睛都具有这样的特性。

蜻蜓

蜻蜓的眼睛为什么这么大呢？因为蜻蜓的眼睛由成千上万只小眼睛组成，是复眼昆虫的代表。

在复眼昆虫的世界里，蜻蜓眼睛的复眼数量居于首位。

现在发现，蜻蜓一只眼睛最多有2.8 万只左右的小眼睛，数量是一般昆虫的10 倍，因此，它看起来又圆又大，几乎占其头部面积的2/3。而且，蜻蜓眼睛具有非常有趣的功能：整个眼睛的上半部分负责看远处的物体，下半部分负责看近处的物体，这种分工使得它在捕食时远近包揽，及时准确。但是如果你快速在蜻蜓的眼睛上部晃动，它就会目不暇接，很容易被抓住，这也是蜻蜓眼睛的弱点。蜻蜓复眼的每一只小眼睛上都有一个六边形的角膜，它们边与边相连，排列整齐有序，像蜂巢一样。外界物体在每个角膜后面都可以形成一个独立而完整的图像。因此在蜻蜓前面放一个物体，可以通过小眼角膜看到许许多多的图像。科学家通过模仿蜻蜓眼睛的构造，制成了复眼照相机，它不仅一次就能拍出成百上千张相同的照片，还可以利用这些小眼睛从不同视角去扫描视野范围内的运动物体，完美捕获其运动轨迹。另外，排列有序的小眼睛所形成的球面，使它几乎有360°的视野，全景拍摄得以实现。另外，仿生学家利用昆虫复眼的特征还研制了相控阵雷达，极大地提高了雷达发现和捕捉目标的能力。

螳螂

你见过螳螂捕虫吗？看似瘦弱的螳螂安静地蹲在草地上，两只长着锯刀的前肢常常是直竖在胸前。一旦有小虫掠过，它就迅速跃起，前足死命一击，便将小虫一举捕获。螳螂捕虫的速度之快，令人瞠目结舌。一般情况下，不到50 毫秒的时间，小虫就已进入螳螂肚内。螳

螂的“武功”主要得益于它拥有一套比电子跟踪系统更灵敏的瞄准定位和跟踪观察装置。

螳螂的秘密武器有两个。一个是与蜻蜓一样的复眼，螳螂的复眼也有几千只小眼睛，每只小眼睛以1°～3°的轴心角呈凸面排列，看起来像一个蜂窝状的半球形。当小虫在螳螂眼前飞过时，小虫的影像就在其复眼里成像，并迅速传递到大脑。虽然每一只小眼只能看到一个个单镜头，就像电影胶片的一个个单镜头一样，但每只小眼可轮流感受运动的物体，这样它的大脑里就可以感觉到景物的运动了。

螳螂的第二个秘密武器是一个长在颈部的称为本体感受器的构造。螳螂的本体感受器主要由数以百计的弹性纤维构成，颈部左右两侧各有一组这样的感受垫。当小虫从螳螂右边飞过，在视角引导下，它的头部会自然地向右侧转动，使得右侧颈部的感受纤维受到挤压。随着它头部向右旋转的弧度增大，右侧的弹性纤维在挤压的作用下越来越多地形成程度不一的弯曲状态。同时，它左侧颈部感受垫里的纤维成相应数量地被拉伸。这样，左右感受垫形成的感受状态便会以不同的兴奋信号，通过神经冲动的形式，急速传到中枢神经系统，让它的大脑准确地判断出飞虫的运动速度。有了以上两个武器，螳螂就能成功地捕捉到猎物了。

研究者模仿螳螂复眼结合本体感受器的原理，设计出了虫眼速度计。虫眼速度计的用途非常多，将它安装在地对空、空对空导弹上，就能迅速地掌握导弹与目标间的相对速度和位置，并在强大的计算机技术支持下，指示导弹不断地调整方向与速度，将目标一举击毁。如果将虫眼速度计安装在飞机上，它便可以用来测量飞机相对于地面的速度。有了这种“眼睛”，在着陆时就能随时测量飞机相对于地面的速度与位置，这样可以保证飞机准确、安全地着陆。

蜘蛛

蜘蛛是我们日常生活中非常常见的一种昆虫，但你有没有仔细观察过蜘蛛的眼睛呢？蜘蛛的眼睛位于其头部的前方，大部分蜘蛛有8 只大小不一的眼睛，一些蜘蛛有6 只眼睛，还有少部分蜘蛛有２只、４只或12 只眼睛，或者没有眼睛。虽然大多数蜘蛛有许多只眼睛，但是你们知道吗？蜘蛛是一个可怜的近视眼，它看到的东西总是很模糊，基本上都是靠感觉来捕食和生活的。在放大镜下观察蜘蛛的8 只眼睛时，可以清楚地看到它的眼睛犹如璀璨的宝石散布在头胸部的前端，相当独特、美丽。可惜的是，蜘蛛的眼睛无法进行精确聚焦，不能准确地看到其他物体，只能环顾四周，大致发现周围的食物和敌情。

但是，蜘蛛的眼睛有一个特殊的本领：能观察到太阳光中的偏振光。其实很多具有复眼的动物对偏振光都极其敏感，所以，蜘蛛看到的是一个扭曲但却是无限的世界。它可以根据太阳的偏振光确定太阳的方位，然后以太阳为参照来判断方向，因此蜘蛛可以准确无误地捕捉到飞到它织的网上的猎物。所以，尽管蜘蛛看到的是一个扭曲而无限的世界，但它的8 只宝石般的眼睛可以同时活动，让它也能迅速看见东西和判断距离。

蝴蝶

与大多数昆虫一样，蝴蝶也长着一双复眼，由15 000 多只小眼组成。这些小眼上面大，下面小，似楔状的六边形。每只小眼的侧面都互相紧密地贴在一起，它们能同时看到不同的方向。但是，蝴蝶眼观六路的眼睛却无法聚焦，而且只能看到黑、白两色。因此，蝴蝶眼中的世界和人类眼中的世界是完全不同的——蝴蝶眼中的世界是模糊且没有色彩的。

虽然蝴蝶看到的世界是没有色彩的，但它的眼睛有着一种特殊的本领——它能看到人眼看不见的紫外线。研究发现，鲜花中的花青素和类胡萝卜素能够使花朵较树叶、草地等吸收较多的紫外线，蝴蝶就是凭借它特有的识别紫外线的能力找到拥有美味花蜜的花蕾的。

另外，蚂蚁、虾、甲虫等昆虫的眼睛也是复眼，它们各自又有什么特点呢？感兴趣的朋友可以深入探究一下。

发亮的猫眼

我们知道，许多动物的眼睛在晚上会发出亮光，比如，猫的眼睛会发出幽幽的绿光，狼的眼睛会发出可怕的黄绿光。其实，这些动物的眼睛里并没有光源，不会主动发出光线，我们看到的动物眼睛的颜色实际上是反射晚上的月光或灯光等其他微弱光线所发出的颜色。可是，猫眼发出的光怎么不是月光的颜色或灯光的颜色呢？因为这些动物的眼底都有色素层，研究证实，这种色素层实际上是猫眼底的视觉细胞上所含有的视色素。猫眼底的视色素主要有蓝敏感色素、红敏感色素和绿敏感色素三种，一般以绿敏感色素为主。视色素在视觉细胞中呈螺旋状排列，在分子上属于一种液晶结构。当外界有微弱光线进入时，猫的眼底就会选择性地反射出与其螺距匹配的单色光。当外界射入的光线达到一定强度时，猫的眼底就会呈现出绿色、红色等颜色。尤其是黑夜时，光线十分微弱，这时猫眼看起来就闪闪发亮了。

其实人眼也不例外，人眼反射出来的是红光，有时候我们拍的照片上就会出现“红眼”现象。这是因为在比较昏暗的环境中，眼睛的瞳孔会放大，如果闪光灯的光轴和照相机镜头的光轴距离眼睛比较近，强烈的闪光灯光线就会通过人的眼底反射进入镜头。而人的眼底有丰富的毛细血管，这些血管是红色的，所以就会在照片上形成红色的光斑。为了避免发生红眼现象，现在的照相机都设计了去红眼功能，原理就是在照相机快门打开前先发出几次闪光，这样被拍摄的人瞳孔就会缩小，从而减少了光线射入，消除了红光的强度。

猫是捕捉老鼠的高手，并且常常是在晚上捕捉老鼠。为什么猫喜欢在夜间活动呢？这可不是因为它的眼睛发出的绿光有多厉害，而是它的视觉细胞中感受夜间微弱光线的那些细胞特别发达。一般动物的视觉细胞分为视锥细胞和视杆细胞两类。前者主要负责感受白天的强光和分辨颜色，主要占据着眼底视网膜的中央区域；后者主要负责感受黑暗中物体的轮廓。猫眼里的视杆细胞很多，帮助它在夜间拥有敏锐的视力。而有些动物，如鸡、一些鸟类等，它们的眼睛里就只有视锥细胞，因此一到晚上，它们就成了“瞎子”。另外，猫的瞳孔狭长，变动范围很广。白天正午强烈的阳光下，猫的瞳孔会缩成一条线；而在昏暗的环境中，猫的瞳孔又会扩张成大大的圆形，这样就使得猫无论是在白天还是夜晚，都能保持敏感的视觉。

夜行动物的眼睛

与猫昼夜都有敏锐的视觉不同，夜行动物的夜视能力很强，但白天几乎看不见物体。

猫头鹰

猫头鹰可谓是夜行动物的典型代表。与其身体相比，猫头鹰的脑袋很大，而头部的一双大大的圆眼睛更让人印象深刻。有意思的是，猫头鹰的眼睛是固定在眼眶里且不能转动的，看东西的时候需要整个脑袋跟着一起转动。

为什么猫头鹰总是白天睡大觉晚上才开始活动呢？这是因为它的夜视能力非常强。猫头鹰的眼睛里其实也有视杆细胞和视锥细胞，但它的视杆细胞异常发达，同时它的视神经也非常敏感，而视锥细胞则很少。此外，猫头鹰的眼睛还有一个特点，它的眼睛的形状不像多数动物那样呈圆形或椭圆形，而是呈管形，前后进深大，左右宽度相对较小。这个特点使得猫头鹰的眼睛获得了望远镜一样的功能，可以在黑暗中看到很远处的物体。

有了上面两个特点，就难怪猫头鹰成为“夜行之王”了。但是在白天，由于猫头鹰敏感的视神经害怕强光和紫外光的刺激，所以它基本上都是闭目养神，而它那些少得可怜的视锥细胞几乎就不发挥什么作用了。

另外，作为夜捕能手的猫头鹰还有一个本领，它的听力比一般动物更敏感。一方面，是因为猫头鹰的听神经很敏感；另一方面，想一想猫头鹰的脸部，略微凹陷，上面长满了短短的羽毛，这就使它拥有了一个声波收集器。所以，在夜晚，猫头鹰除了靠它独特的眼睛看物体外，还通过其灵敏的听觉帮助它定位。

科学家曾对猫头鹰做过实验，发现它能够在全黑的环境里捕捉到活的老鼠，也能够在只有微弱的光线时发现死的老鼠。若换作人类，则需增加10～100 倍的光线才能看到。科学家根据猫头鹰眼睛的特性研制出了微光夜视仪，在军事、刑侦、缉毒、缉私、夜晚监控、保卫等领域的应用极广。

眼镜猴

濒临灭绝的眼镜猴是目前世界上已发现的最小的灵长类动物，身长只有10～12 厘米，大概只有成人的手掌大。眼镜猴有一双圆圆的凸出的大眼睛，直径超过1 厘米。如果按照身体的比例来计算的话，那么它的眼睛是灵长类动物中最大的，每只眼睛重达3 克，比它的大脑还重，这和它小小的身体很不对称。不仅如此，在灵长类动物中，眼镜猴也是相对耳朵最大、趾骨最长的动物。

与许多其他只能在夜间活动的动物一样，眼镜猴眼睛的视网膜上仅有视杆细胞，所以它的眼睛只适合于夜视。入夜以后，眼镜猴靠着它的夜视眼、大耳朵和特殊的长脚趾在丛林的树干和树枝上灵活穿梭，十分自如，用劲一跃竟可以跳出相当于其体长40 倍的距离。眼镜猴的

眼睛周围长着一圈黑斑，乍一看，像是戴了一副特大的旧式老花眼镜，因此被人们形象地称为眼镜猴。跟猫头鹰一样，眼镜猴的眼睛也不能转动，但它的脖子很灵活，脑袋几乎可以转360°。它们对来自环境中的危险非常敏感，即使在睡觉时，也会闭一只眼睁一只眼。另外，眼镜猴的大眼睛使它视野广阔，也非常有助于它在夜间捕食。

一心二用的变色龙眼睛

变色龙是蜥蜴的一种，它的眼睛在蜥蜴中最为独一无二。

说变色龙的眼睛是漫游眼绝不夸张。它的眼睛相对于整个头部来说非常大，眼帘很厚，呈环形，长在两个突出的像宝塔一样的椎体尖上，可以随着椎体灵活伸缩和任意转动。每个锥形结构可以独自旋转，也可以同时转动，转动角度垂直可达90°，水平可达180°。变色龙眼睛最奇特之处在于它的两只眼睛可以分别看不同方位的物体，左边看来敌，右边看猎物，而不像一般动物看东西时需要两只眼睛聚焦到一个物体上，这种功能在生物界是相当罕见的。因此，变色龙可以做到一心二用。

科学家利用变色龙眼睛的特性，研制出了一种新型头盔。这种头盔正是利用了仿生学原理，在头盔眼睛对应的部位装上两个能够上下左右自如转动的摄像头，每个摄像头都可以独立转动，戴上它看世界的时候就可以像变色龙一样，左右眼看到不同的景物。

山羊的矩形眼睛

不同于猫眼睛的狭长瞳孔，山羊眼睛的瞳孔是矩形的。山羊眼睛的矩形瞳孔吸引了很多研究者的关注，研究结果发现，山羊的矩形眼睛并非只是为了让它们外表看起来更加独特、漂亮，而是为了更好地适应生存环境，经过长期进化的成果。

人类及大多数动物的眼睛都具有称为瞳孔反射的生理反射。瞳孔反射的表现是当眼睛受到光线照射时，里面的虹膜会自动收缩，使瞳孔变小，以此调解进入眼内的光线强度。一般情况下，人眼的瞳孔遇到强光照射时会缩小到直径只有1.5 毫米；而在光线昏暗时，则可扩大到8 毫米。动物的眼睛构造及其瞳孔的大小、形状、伸缩范围等主要取决于它的生理特性和生存条件。多数动物的瞳孔与人类的瞳孔一样是圆形的，而山羊的瞳孔比较特殊，扩张时竟然接近一个矩形。研究发现，山羊的矩形瞳孔可以使它获得更宽广的视野，视野范围可以达到320°～340°，而人类眼睛的视野范围通常情况下是120°～130°，这也就意味着山羊可以不用转动头部就能看到视野范围内的景物。

还有一种现象。肉食动物的瞳孔扩张时，往往是纵轴长于横轴，称为竖瞳；而草食动物正好相反，瞳孔扩张时是横轴长于纵轴，称为横瞳。山羊是横瞳的代表。导致这种差别的原因在于景深。景深是指物体经过透镜成像时，在焦点处最清晰，而在焦点前后相对清晰的成像范围就叫景深。因此，物体成像在景深范围内比较清楚，超过景深范围则超得越远越模糊。竖瞳眼睛在看物体时，纵向景深比横向景深大，意味着对于处在焦点附近的物体，纵向比横向更清楚。对于靠捕猎为生的肉食动物，如老虎，它在追踪猎物时会目不斜视，全神贯注地盯住猎物，它对纵向景深的要求自然比横向景深更高。因此，肉食动物往往都是竖瞳。经过进化，老虎还可以根据猎物在眼睛中成像的模糊程度，估计出猎物与自己之间的距离，从而让它们在不惊动猎物的情况下，先是稍稍靠近，达到可控范围时则一举将猎物捕获。

作为草食动物，山羊在食物链上处于老虎的下游，是被捕食者。它们的眼睛大多长在头部的两个侧面，同时山羊矩形的横瞳使它们尽量减少了视觉盲区。宽阔的视野有助于它们发现猎物，同时可以最大限度地观察到来自周边的猛兽。此外，山羊的横瞳始终与地面平行，即使它低着头专注于吃草时，其余光也能发现靠近的捕食者。一旦有危险，横瞳还有助于山羊观察逃生路线，择良道而迅速逃离。动物的瞳孔形状与其在自然界所处的生态位置关系密切，这也是物种演化和自然选择的良好体现。不过也有一些例外，如长有竖瞳却食草的南美洲栗鼠（别称龙猫），以及长有横瞳却食肉的狐獴。

乌贼的波浪状眼睛

乌贼，与墨鱼、章鱼属于同一个家族，都是头足纲类动物，是目前动物界眼睛进化程度最高的动物。

乌贼眼睛的形状非常特殊，一般情况下瞳孔呈波浪状。但实际上，它可以根据不同环境任意改变瞳孔的形状。

乌贼的眼睛长在头部的后面，这样它们就能同时看到前方和后方，但乌贼的眼睛只能识别几种简单的颜色，可以说是色盲。但最令人震惊的是，乌贼的眼睛竟然没有盲点，这一点连脊椎动物都望尘莫及。乌贼的眼睛还有一个厉害的特点就是，人类的眼睛为了看清楚眼前不同距离的物体，要通过改变晶状体的形状达到更好的聚焦，而乌贼却能改变整个眼睛的形状进行聚焦。这一特点可以让乌贼感知光的偏振，即使是在深海昏暗、微弱的光线下，也能形成鲜明的颜色对比。另外，乌贼还能够凭借它对不同颜色的不同灰度的感知，使皮肤上的变色细胞模拟出相应的颜色，进行伪装。

有一种巨型乌贼，它的眼睛大如篮球，直径可达40 厘米，即使是体长30 米的蓝鲸，眼睛的直径也不过10～20 厘米，因此这种乌贼被称为大王乌贼。它的眼睛是地球上所有动物中最大的，这么大的眼睛有什么作用呢？在深海，具有普通大小的眼睛不易及时发现捕食者抹香鲸，而拥有篮球大小的大眼睛可以发现120 米以外的抹香鲸，这也就给了乌贼足够的时间逃跑。

但最不寻常的还是深水枪乌贼的眼睛。这种乌贼的眼睛各式各样，有的如同望远镜似的，向上竖起；有的则生在细长柄上，向两旁伸出很远；有的两只眼睛并不对称：左眼比右眼大3 倍。因此，这种眼睛不对称的枪乌贼在游动时，不得不花费很大的力气保持身体的平衡，才不致左右滚动。同时，枪乌贼还有着极为特殊的可以感知温度的“眼睛”。深水枪乌贼的鳍上分布着约30 个可以接收热射线的小测温器，这些测温器呈黑点状。在显微镜下观察，会发现它是由一个个呈球形的小囊组成的，囊中充满了透明的黏液，囊的表面覆盖着一层厚厚的红色细胞。这层细胞的功能就像照相机上使用的滤光器一样，只有红外线才能通过它。其实，在枪乌贼感知温度的时候，眼睛中发生着一系列光化学反应过程，如同照相时摄影胶片上发生的过程一样。当这种感温器官吸收到不同温度变化后，其内部感温分子重组，然后通过神经传至大脑，形成所见物体的形象。

科学研究普遍认为，乌贼的眼睛大是对深海生活环境长期适应的结果，在深海中用自己强大的光学系统吸收深海的微光，以及时发现猎物，避免危险。而生活在海面附近的枪乌贼，由于光线较好，则只需要小小的眼睛即可查看四周的一切。

壁虎的“之”字形眼睛

你知道吗？不同于山羊的矩形瞳孔和猫的狭长瞳孔，壁虎的瞳孔是长长的“之”字形。

夏秋季节的晚上，在炎热地区的人们经常会看见壁虎出现在墙壁上、天花板上或光滑的地板上，捕食蚊、蝇、飞蛾和蜘蛛等。壁虎是蜥蜴的一种，也是昼伏夜出。白天，它常常潜伏在壁缝中、瓦檐下、橱柜后面等隐蔽的地方，夜间则出来活动。喜欢在夜间出没的壁虎为了保证在夜间拥有出色的视力，同时又能在白天阻挡明亮光线的刺激，便进化出这种长长的“之”字形瞳孔的眼睛。这种瞳孔通过“之”字形折叠收缩，能够有效调控进入眼睛的光线。有趣的是，壁虎还可以在昏暗的月光下看到人类无法看到的颜色。研究发现，壁虎辨别颜色的能力比人类强350 倍，使它能在昏暗的晚上准确识别它的猎物，并根据其特性确定自己的抓捕方案，提高捕食效率。

另外，壁虎的眼睛也相对较大，但它的眼睑（也就是俗称的眼皮）缺乏运动神经支配，因此不能像人的眼睑那样任意开闭，只能始终保持睁眼状态。当有异物接近或粘在眼球上时，人眼可以通过眼睑的闭合来阻挡和清除异物，而壁虎只能用它的长舌头去帮助完成眼睛的清洗任务。

蝙蝠的眼睛

蝙蝠主要是通过超声波来辨别方向、探测目标的。雷达正是利用了蝙蝠的这一特性制造出来的。但是，既然蝙蝠都能通过超声波来辨别方向了，那它的眼睛还有什么用呢？

很多人都认为蝙蝠的视力很差，其实，不同种类的蝙蝠眼睛的作用是不一样的。大多数蝙蝠都在夜间活动，但也有少数是在白天活动。夜间活动的蝙蝠视力的确不好，可以说是高度近视，而且它们的眼睛一般比较小，可是往往耳朵较大。利用这对大耳朵接收超声波的回应，它们就能感知外在世界了。但白天活动的蝙蝠（如果蝠），眼睛比较大，眼睛的功能和其他动物一样。所以，并不是所有蝙蝠的眼睛都没多大作用，要因蝙蝠而异。

鱼类的眼睛

人们经常说吃了鱼眼视力会变好，因为鱼的视力好，其实不然。鱼眼的结构非常简单，没有眼睑让它闭合，所以我们见到死鱼的眼睛也是睁着的。眼内的晶状体为圆球形，不同于人眼像凸透镜一样的晶状体，这种晶状体的弧度是不能改变的，从而限制了鱼眼的视线，使其仅能看到1～2 米远的物景，所以鱼是近视眼。

由于长期在水里生活，大多数鱼为色盲或色弱，会将红色视为褐色，只对白色稍微敏感。钓鱼时，鱼线上的浮漂做成白色就是为了吸引鱼的注意，让它去接近诱饵。

鱼虽然是近视眼，但它的眼睛有着独特的功能。鱼对折射后的光线非常敏感，这也是它在水生环境中长期进化的结果。老练的垂钓者常常会或蹲或坐在岸边，仔细观察水面变化，等待鱼儿上钩。如果垂钓者站立在岸边，人影就会折射入水，将鱼吓跑。水中的鱼虽然看不到岸上的垂钓者，但可以借助水面的折射看清岸上的景物。当垂钓者或蹲或坐在岸上时，人的投射与水面之间的角度变小，可以起到较好的隐蔽作用。鱼的眼睛还有一个强项，它的视野比人眼的视野更加宽广。经科学家测定，一般的淡水鱼眼睛垂直面的视野为150°，而人眼则不超过134°。在水平面，鱼的视野可达到160°～170°，人的视野远不及此。因此，鱼即使不转身也能观察到附近的物体。

鱼的眼睛大小不一、形状各异，这与它们日常所接触光线的强弱有关。一般说来，在浅层水域生活的鱼大多有一双正常的眼睛；在水深500 米左右的水域，由于光线很弱，长有大眼睛才能看到东西，所以在此水域生活的鱼类眼睛较大。例如，南海中有一种叫作大眼鲷的鱼，它的眼睛相对其整个身体来说特别大，几乎占到了其头部的1/2。但生活在2000 米以下水域的鱼类，由于那里几乎没有光线，漆黑一片，所以眼睛已不起多大作用，大都退化，或变得很小，或干脆消失。例如，古巴有一种盲鱼，它的眼睛在出生后两个月逐步退化，因此成年的古巴盲鱼基本上可以说是瞎子。

另外，日本盲鳗虽然有眼睛，但也几乎被鱼皮所遮盖，基本丧失了视觉功能。另外，鱼眼的形状也会因为周围环境的不同而变化。例如，生活在海底的比目鱼，由于经常侧卧在底沙上，所以它的两眼都长在身体向上的一面，这样它就能够有效地防备来自上面的敌害和搜寻附近的饵料。另外，在南美洲河里有一种四眼鱼，它的一对眼睛长在头部的顶上，每只眼睛又分为上下两部分，上部分经常露在水面，下部分则是潜在水里。这样，生活在水面浅层的四眼鱼既能上视空中，又能俯瞰水下，使它可以从容地捕食水面上的飞虫和水下的浮游生物。还有一种鱼具有两栖本领，既可以在水里游，又可以离开水面在沙滩或河边泥地上爬行或跳跃，甚至还能爬到水上，这种鱼叫作弹涂鱼。弹涂鱼的眼睛长在头部两侧，特别向外突出，像两个圆滚滚的小圆球，而且它还可以前后左右灵活转动。还有那些生活在混浊的水底，甚至常常钻入泥巴里面的黄鳝、泥鳅等，它们几乎不用睁眼看东西，所以眼睛也进化得变得很小。

和鱼类相比，一般动物眼睛的视野或成像角度是比较小的，只能看到前方的景物，而某些鱼眼的成像角度很大，甚至可以达到220°，使得它们可以看到身体侧后方的一些景物。鱼目镜头便是仿照这种鱼眼制成的，这种镜头具有200 多度的成像角度，比普通照相机镜头扩大了3 倍，摄影的人在拍摄广阔美景时更加得心应手。

自然界中还存在着许多独特的眼睛，如河马的眼睛、鳄鱼的眼睛等。

不借助设备，人类在水下是看不清东西的。但同属哺乳类的河马在水下却能看到东西，而且准确度高得惊人，这是因为河马的眼睛上有一层透明膜可以用来保护眼睛，使它们免受水下碎片或其他杂物的伤害。

鳄鱼被称为“活化石”，是一种年代久远的动物，它的眼睛长在头顶上，即使整个头部位于水下，眼睛仍能露出水面。鳄鱼眼睛有一个特殊装置，即在眼睛后面长有一个像镜子一样的结构，其作用是帮助眼睛把没有吸收的光线反射回来，极大地提高了夜视能力。

此外，自然界还有许许多多奇特的动物眼睛，它们的构造或多或少都与动物的生活习性有关。正如达尔文提出的适者生存理论一样，各种动物的眼睛也都随着动物的进化发生了相应的改变，进而形成了形状、功能独特的眼睛。

本文摘编自李革编著《眼睛的奥秘：看见自然的神奇与人类的智慧》第一章，内容有删减。文中图片来自《眼科学彩色图谱》和相关图片库，在此谨向绘图者、相关图片的作者及发布者表示感谢。

眼睛的奥秘：看见自然的神奇与人类的智慧

李革编著

北京：科学出版社 2017.09

ISBN 978-7-03-053565-8

眼睛是人们感知世界的窗口，被称为“心灵的窗户”。然而，眼睛却非常娇嫩，需要人们悉心呵护。《眼睛的奥秘：看见自然的神奇与人类的智慧》用形象的比喻、诙谐幽默的描述向读者传递眼睛的相关知识。首先，阐释了自然界中各种动物的奇特眼睛及真给人类带来的启迪，以唤起读者对眼睛的好奇和兴趣。其次，描述了人类眼睛鲜为人知的“奇闺趣视”，从科学的角度解释日常用眼过程中遇到的一些问题，进一步激发读者不断去探索眼睛的奥秘。再次，用深入浅出的方法，从专业角度介绍眼睛的结构、工作奥秘以及人类眼睛成长与衰老的过程。最后，介绍了眼睛常见疾病的陆治和相关营养及保健知识，希望在科学用眼方法的指导下，人人都拥有一双明亮而美丽的眼睛。