Мозг мухи вряд ли больше, чем отверстие в швейной иголке. Но муха, обладая таким мозгом, умудряется обработать более ста статических изображений (кадров) в секунду. Как известно, у человека предел - примерно 25 кадров в секунду. А муха нашла более простой и эффективный способ обработки изображений. И это не могло не заинтересовать исследователей в области робототехники.

Обнаружено, что мухи обрабатывают 100 кадров в секунду. И это позволяет им во время полета обнаружить препятствие в течение нескольких миллисекунд (миллисекунда – это одна тысячная секунды). В частности, исследователи сфокусировали своё внимание на оптических потоках, которые они назвали "оптические полевые потоки ". Похоже на то, что это оптическое поле обрабатывается только первым слоем нейронов. Они обрабатывают “грубый” исходный сигнал от каждого мушиного “пикселя” . И пересылают обработанную информацию на следующий слой нейронов. И, как утверждают исследователи, этих вторичных нейронов всего лишь 60 штук в каждом полушарии мушиного мозга. Тем не менее, мушиному мозгу удаётся уменьшить или раздробить поле зрения на множество протекающих последовательно “векторов движения”, которые дают мухе вектор направления движения и “мгновенную” скорость. И что интересно, то, что муха это всё видит!

Мы, люди (и не все), знаем что такое вектор и мгновенная скорость. А муха об этих вещах, естественно, не имеет никакого понятия. И таким способностям мозга мухи обрабатывать огромное количество информации можно только позавидовать. А почему мы видим всего лишь примерно 50 кадров в секунду, а муха 100? Трудно сказать, но есть разумные предположения на этот счёт. Как взлетает муха? Почти “мгновенно”, с огромным ускорением. Мы такую перегрузку врадли бы выдержали. Но можно создать роботизированный мозг, который по скорости обработки информационных потоков не уступит мозгу мухи.

Чтобы попытаться понять, как крошечный мушиный мозг может обрабатывать такое огромный поток информации, исследователи в Мюнхене создали “симулятор полета” для мухи. Муха могла летать, но удерживалось на привязи. Электроды регистрировали реакцию клеток мозга мухи. А исследователи пытались понять, что же происходит в мозге мухи во время полёта.

Первые результаты очевидны. Мухи обрабатывают изображения от их неподвижных глаз совсем не так, как это делает человек. При перемещении мухи в пространстве, в ее мозге формируются “оптические полевые потоки” (optical flux fields), которые и дают мухе направление движения.

Как бы это видел человек? Например, при движении вперёд, окружающие объекты мгновенно бы разбегались по сторонам. А объекты в поле зрения казались бы большими, чем они есть на самом деле. И казалось бы, что ближайшие и удалённые объекты перемещаются по-разному.

Скорость и направление, с которыми объекты мелькают перед мушиными глазами, генерируют типичные шаблоны векторов движения – полевые потоки. Которые на втором этапе обработки изображения достигают так называемой "lobula plate" – центра зрения более высокого уровня. В каждом полушарии мозга мухи есть всего лишь 60 нервных клеток, ответственных за зрение. Каждая из этих нервных клеток реагирует только на сигнал с определенной интенсивностью.

Но для анализа оптических потоков важна информация, поступающая от двух глаз одновременно. Эту связь обеспечивают особые нейроны, называемые “VS cells”. Они и позволяют мухе точно оценить своё местоположение в пространстве и скорость полёта. Похоже на то, что “VS cells” ответственны за распознавание и реакцию на вращающий момент, действующий на муху во время её манёвров в полёте.

Исследователи в области робототехники работают над тем, чтобы разработать роботов, которые могут наблюдать окружающую среду при помощи цифровых камер, изучать то, что они видят и адекватно реагировать на изменение текущей ситуации. И эффективно и безопасно общаться и взаимодействовать с людьми.

Например, уже ведутся разработки маленького летающего робота, положение и скорость полёта которого будет контролироваться при помощи компьютерной системы, имитирующей зрение мухи.

Удивительными, необычными глазами обладает обыкновенная муха!
Впервые люди смогли посмотреть на мир глазами насекомого в 1918 г. благодаря немецкому ученому Екснеру. Экснер доказал наличие необычного мозаичного зрения у насекомых. Он сфотографировал окно сквозь фасеточный глаз светляка, помещенный на предметное стекло микроскопа. На фотографии было видно изображение оконного переплета, а за ним расплывчатые очертания собора.

Сложные глаза мухи называются фасеточными, состоят они из многих тысяч крохотных, отдельных шестиугольных глазков-фасеток, называемых омматидиями. Каждый омматидий состоит из линзочки и примыкающего к ней длинного прозрачного кристаллического конуса.

У насекомых фасеточный глаз может иметь от 5000 до 25 000 фасеток. Глаз комнатной мухи состоит из 4000 фасеток. Острота зрения у мухи низкая, видит она в 100 раз хуже человека. Интересно, что у насекомых острота зрения зависит от числа фасеток в глазу!
Каждая фасетка воспринимает лишь часть изображения. Части складываются в одну картину, и муха видит "мозаичную картину" окружающего мира.

Благодаря этому муха имеет почти круговое поле зрения на 360 градусов. Она видит не только то, что находится впереди нее, но и то, что творится вокруг и сзади, т.е. крупные фасеточные глаза позволяют мухе одновременно смотреть в разные стороны.

В глазах мухи отражение и преломление света происходит таким образом, что максимальная его часть попадает внутрь глаза под прямым углом, вне зависимости от угла падения.

Фасеточный глаз - это растровая оптическая система, в которой в отличие от глаза человека нет единой сетчатки.
Каждый омматидий имеет свой диоптрический аппарат. Кстати, понятия аккомодации, близорукости или дальнозоркости для мухи не существует.

Муха, как и человек, видит все цвета видимого спектра. Кроме того муха способна различать ультрафиолет и поляризованный свет.

Понятия аккомодации, близорукости или дальнозоркости мухе не знакомы.
Глаза мухи очень чувствительны к изменению яркости света.

Изучение фасеточных глаз мухи показало инженерам, что муха способна очень точно определять скорость объектов, движущихся на огромной скорости. Инженеры скопировали принцип мушиных глаз для создания быстродействующих детекторов, определяющих скорость летящих самолетов. Такой прибор получил название "глаз мухи"

Панорамная камера «глаз мухи»

Ученые Федеральной политехнической школы Лозанны изобрели камеру с обзором на 360 градусов, позволяющую трансформировать изображение в формат 3D, не искажая его. Они предложили совершенно новую конструкцию, источником вдохновения послужило устройство глаза мухи.
По форме камера напоминает маленькую полусферу размером с апельсин, по поверхности расположены 104 мини-камеры, наподобие тех, что встроены в мобильные телефоны.

Эта панорамная камера дает трехмерное изображение на 360 градусов. Однако каждую из составных камер можно использовать и отдельно, перенося внимание зрителя на определенные участки пространства.
Этим изобретением ученые разрешили две основные проблемы традиционных кинокамер: неограниченного в пространстве ракурса и глубины резкости.

ГИБКАЯ КАМЕРА НА 180 ГРАДУСОВ

Группа исследователей из университета Иллинойса под руководством профессора Джона Роджерса создали фасетчатую камеру, работающую принципу глаза насекомого.
Новое устройство внешне, и по своиму внутреннему строению напоминает глаз насекомого.

Камера состоит из 180 крошечных линз, у каждой из которых есть свой собственный фотодатчик. Это позволяет каждой из 180 микрокамер действовать автономно, в отличие от обычных камер. Если проводить аналогию с миром животных, то 1 микролинза - это 1 фасетка глаза мухи. Далее данные в низком разрешении, полученные микрокамерами, поступают в процессор, где эти 180 маленьких картинок собираются в панораму, ширина которой соответствует углу обзора в 180 градусов.

Камера не требует фокусировки, т.е. объекты, находящиеся близко, видно так же хорошо, как и объекты, находящиеся вдали. Форма камеры может быть не только полусферической. Ей можно придать практически любую форму. . Все оптические элементы выполнены из эластичного полимера, который используют при изготовлении контактных линз.
Новое изобретение может найти широкое применение не только в системах охраны и наблюдения, но и в компьютерах нового поколения.

Глаз насекомого при большом увеличении похож на мелкую решетку.

Это потому, что глаз насекомого состоит из множества маленьких "глазков"-фасеток. Глаза насекомых называют фасеточными . Крошечный глазок-фасетка называется омматидий . Омматидий имеет вид длинного узкого конуса, основание которого - линза, имеющая вид шестигранника. Отсюда и название фасеточного глаза: facette в переводе с французского означает "грань" .

Пучок омматидиев составляет сложный, круглый, глаз насекомого.

Каждый омматидий имеет очень ограниченное поле зрения: угол обзора омматидиев в центральной части глаза - всего около 1°, а по краям глаза - до 3°. Омматидий «видит» только тот крошечный участок находящегося перед глазами предмета, на который он "нацелен", то есть куда направлено продолжение его оси. Но так как омматидии тесно прилегают друг к другу, а их оси в круглом глазу расходятся лучеобразно, то весь сложный глаз охватывает предмет в целом. Причём изображение предмета получается в нем мозаичным, то есть составленным из отдельных кусочков.

Число омматидиев в глазу у разных насекомых различно. У рабочего муравья в глазу всего около 100 омматидиев, у комнатной мухи - около 4000, у рабочей пчелы - 5000, у бабочек - до 17 000, а у стрекоз - до 30 000! Таким образом, у муравья зрение весьма посредственное, тогда как огромные глаза стрекозы - два радужных полушария - обеспечивают максимальное поле зрения.

Из-за того, что оптические оси омматидиев расходятся под углами 1-6°, четкость изображения насекомых не очень высока: мелких деталей они не различают. Кроме того, большинство насекомых близоруки: видят окружающие предметы на расстоянии лишь нескольких метров. Зато фасеточные глаза отлично умеют различать мелькания (мигания) света с частотой до 250–300 герц (для человека предельная частота около 50 герц). Глаза насекомых способны определять интенсивность светового потока (яркость), а кроме того, они обладают уникальной способностью: умеют определять плоскость поляризации света. Эта способность помогает им ориентироваться, когда солнца не видно на небосклоне .

Насекомые различают цвета, но совсем не так, как мы. Например, пчелы «не знают» красного цвета и не отличают его от чёрного, но зато воспринимают невидимые для нас ультрафиолетовые лучи, которые расположены на противоположном конце спектра . Ультрафиолет различают также некоторые бабочки, муравьи и другие насекомые. Кстати, именно слепостью насекомых-опылителей нашей полосы к красному цвету объясняется любопытный факт, что среди нашей дикорастущей флоры нет растений с алыми цветками.

Свет, идущий от солнца, не поляризован, то есть его фотоны имеют произвольную ориентацию. Однако, проходя через атмосферу, свет поляризуется в результате рассеивания молекулами воздуха, и при этом плоскость его поляризации всегда направлена на солнце

Кстати...

Кроме фасеточных глаз у насекомых есть еще три простых глазка диаметром 0,03-0,5 мм, которые располагаются в виде треугольника на лобно-теменной поверхности головы. Эти глазки не приспособлены для различения объектов и нужны для совсем другой цели. Они измеряют усредненный уровень освещенности, который при обработке зрительных сигналов используется в качестве точки отсчета («ноль-сигнала»). Если заклеить насекомому эти глазки, оно сохраняет способность к пространственной ориентации, но летать сможет только при более ярком свете, чем обычно. Причина этого в том, что заклеенные глазки принимают за «средний уровень» черное поле и тем самым задают фасеточным глазам более широкий диапазон освещенности, а это, соответственно, снижает их чувствительность.

Есть такая занятная телереклама. Парнишка, одетый во всё красное, попал в загон к быку. А считается, что быков раздражает красный цвет. И чтобы избежать нападения, парень вымазывается с головы до ног грязью. Между тем один из его приятелей, стоящий в безопасности за изгородью, спрашивает резонно:
-- А разве быки не дальтоники?
В самом деле, не выдумка ли так широко бытующее убеждение? Что действительно видят и чего не видят животные, птицы, насекомые? Как и в чём их зрение отличается от нашего? Чему может поучиться человек у "братьев наших меньших"?
Вот как отвечают на эти вопросы специалисты, пытающиеся посмотреть на мир чужими глазами...

Глаза разные нужны
Глаза -- одно из величайших изобретений природы. И природа изобрела их несколько типов, каждый раз настраивая наилучшим образом для того или иного видения. Скажем, глаза рыб отлично приспособлены различать окружающее под водой, кошки отлично ориентируются в темноте, а орёл замечает крохотную мышь с километровой высоты...
Человек, создавая фотоаппарат, сумел на первых порах сымитировать лишь свой собственный глаз. А вот сложный, фасеточный глаз насекомого скопировать до сих пор толком так и не смог. Этот шедевр природы сложен из многих тысяч крохотных, отдельных "глазков" -- омматидиев.
Каждый омматидий состоит из "линзочки" и примыкающего к ней длинного прозрачного кристаллического конуса. Глаз комнатной мухи состоит из 4000 омматидиев-конусов; рабочей пчелы -- из 5000 конусов, прилегающих вплотную друг к другу; глаз бабочки -- из 17 000, а стрекозы -- из 30 000 отдельных глазков. Каждый из них выхватывает из окружающего их пространства одну точку. Но в мозгу насекомого все они складываются в единую мозаику.

Чем хорош такой глаз? Да хотя бы тем, что замечает мельчайшее, даже очень быстрое движение. Учёные, например, подсчитали: для того чтобы пчела смогла различать на экране то, что показывает проектор, надо крутить плёнку со скоростью не 16 или 24 кадра в секунду, как нам с вами, а по крайней мере в десять раз быстрее. Иначе она увидит лишь мелькание отдельных кадров, а не слитное движение.

Красных нам не надо
Та же пчела по-своему различает и цвета. Ботаники уже давно обратили внимание на то, что в природе сравнительно редко встречаются красные цветы. Почему? Оказывается, опыляющие их пчёлы в отличие от людей слепы к красному цвету -- он для них всё равно что чёрный.
Впрочем, большинство красных цветов, украшающих наши луга и сады -- например, вереск, рододендрон, цикламен, луговой клевер, -- не чисто красные, а представляют собой смесь пурпурно-красных и синих оттенков. А уж синий цвет пчёлы различают отлично. Некоторые же чисто красные цветы -- например, дрёму, растущую по берегам рек и лесных озёр, -- опыляют вовсе не пчёлы, а бабочки.
Особый случай -- мак-самосейка. С нашей точки зрения он красный. А пчела видит, что он отражает еще и ультрафиолет, людьми не видимый.

Немецкий учёный Карл фон Фриш, долгое время всесторонне исследующий пчёл, подметил также, что пчёлы плохо воспринимают слитные формы, зато сразу примечают фигуры, составленные из крохотных элементов. Вот почему для них столь привлекательны растения, осыпанные множеством мелких цветков.

Глаза на затылке?
Ещё одна особенность зрения насекомых: они более отчётливо видят движущиеся предметы, нежели неподвижные. И если кто-то приближается к ним, то вовремя замечают опасность и пытаются спастись. Поле зрения фасеточных глаз охватывает все 360 градусов, так что насекомые видят всё вокруг. Поэтому, например, так трудно поймать муху.
Такой же особенностью отличаются и многие птицы, а также животные. Например, глаза зайца расположены так, что угол зрения между левым и правым глазом составляет 180 градусов.
Для сравнения: у других животных этот показатель значительно ниже (у жирафа -- 140 градусов; у оленя -- 100 градусов; у собаки и волка -- 30 -- 50 градусов). У льва угол обзора ещё меньше. Что ж, царь зверей может не опасаться врагов. Зато ему проще преследовать добычу: чем ближе посажены друг к другу глаза, тем объёмнее зрение, тем точнее можно определить расстояние до своей жертвы, готовясь к прыжку.

Этот многоцветный мир
Многие млекопитающие, как и мы, люди, видят окружающий мир объёмным, трёхмерным. Вот только его красочное великолепие в их глазах меркнет. Сплошь и рядом животные -- дальтоники, не различают те или иные цвета. Так, золотистые хомячки, сумчатые крысы и еноты, ведущие ночной образ жизни, видят всё в чёрно-белом цвете.
Быки и коровы вопреки распространённому представлению не различают красного цвета. Во время корриды быка раздражает вовсе не цвет мулеты, которой размахивает тореадор; его раздражает сам факт движения. Поскольку быки, похоже, ещё и близоруки, то мелькание тряпки они воспринимают как вызов своей особе со стороны неведомого им противника...
Ёж замечает лишь жёлто-коричневые тона, что не случайно: в этот цвет окрашены черви, излюбленная пища ежей. Мышь-полёвка различает жёлтый и красный цвета, ведь ей приходится отличать спелые, покрасневшие плоды от ещё незрелых. Для лошадей и коз по-иному выглядит небо, ведь синего цвета они не воспринимают. Овцы не видят как синее, так и красное.
Для собак что красный, что зелёный, что оранжевый, что жёлтый -- всё едино. Слепые люди, бесстрашно следующие за собакой-поводырём, не подозревают, что, глядя на светофор, четвероногий поводырь не различает, какой там горит цвет -- красный или зелёный. Собака ориентируется по тому, как меняется яркость глазков светофора и как действуют окружающие её люди.

Чемпионы ночи
Для кошачьего зрения недоступны красные и зелёные тона, окрашивающие листву, траву и плоды. Зато зрачки любого представителя этого семейства могут сильно расширяться, приспосабливаясь к любому освещению. Лунной ночью рысь, пума или наша домашняя кошка видят почти так же хорошо, как мы сами солнечным днём.
Это происходит потому, что кошачьи глаза способны усиливать слабый сумеречный свет. Под их сетчаткой расположен особый светящийся слой клеток. Благодаря ему глаза кошек так таинственно мерцают в темноте. Световые лучи, проникающие внутрь глаза, отражаются от этого слоя, словно от зеркала, и вновь достигают фоторецепторов. Так световой импульс усиливается. Кошки в темноте видят в 6 раз лучше, чем человек.
Впрочем, и нам есть чем гордиться! Пусть мы совсем не видим ультрафиолетовых лучей, плохо ориентируемся в темноте, но мир для нас и без этого прекрасен. Человеческий глаз содержит 123 миллиона палочек, отвечающих за чёрно-белое зрение, и семь миллионов колбочек (им мы обязаны цветовым зрением). Благодаря такому обилию цветочувствительных клеток наш глаз способен воспринимать около пяти миллионов цветовых оттенков -- тут уж ни одно животное не сравнится с нами.

И наделила нас природа таким зрением, потому что для нас оно самое подходящее. Не лучше, не хуже, чем у других живых существ, наших соседей по планете, а именно самое подходящее.