基于电子纸显示屏的光学自适应伪装技术，可实现实时环境渲染

《Optics & Laser Technology》：Optically adaptive camouflage with real-time environmental rendering on e-paper displays

生物启发自适应伪装系统通过实时环境捕捉生成融合背景的伪装图案，并利用低功耗电子纸实现动态显示，实验验证其在复杂动态环境中的显著隐蔽效果。

　　

栾鹏汉|刘恒|何明武|冯晨|张斌|王素红

中国人民解放军陆军工程大学野战工程学院，南京210007，中国

摘要

近年来，能够模仿周围环境整体视觉特征的伪装方法已成为该领域的研究热点。然而，现有的伪装技术主要基于固定颜色和几何形状（例如伪装网和涂料），在复杂和动态环境中表现出有限的适应性。为了解决在可见光谱范围内实现快速颜色适应和实时背景匹配的关键问题，本文提出了一种受生物启发的自适应伪装系统。该系统的核心工作流程包括：a) 通过相机实时捕捉环境信息；b) 生成与捕获背景融合的伪装图案；c) 使用集成在设备表面的低功耗彩色电子纸（e-paper）实时显示这些图案。在配备相机和背部e-paper显示屏的仿生机器人狗平台上进行的实验表明，在复杂动态环境条件下，移动目标的视觉隐蔽性得到了显著提升。这项研究为移动系统中的主动伪装提供了一种实用且有效的工程解决方案。

引言

伪装是一种由自然选择塑造的核心生存策略[1]，在捕食者-猎物系统中表现出进化上的双重性：捕食者利用伪装来提高伏击成功率以获取能量，而猎物则依赖伪装来降低被发现的概率并确保生存。这种适应机制在物理遮蔽物有限的开阔地形中尤为重要，推动了通过背景融合实现视觉欺骗的进化。虽然大多数物种的静态伪装仅在特定、均匀的环境中有效（如图1所示），但头足类动物展示了卓越的动态伪装能力。它们通过感知环境的光学特性（颜色和纹理）实时调整皮肤形态，从而实现多光谱隐蔽[2,3]（如图2所示）。这种经过数亿年自然优化的机制为人工伪装系统提供了重要的仿生启示。

军事领域始终将生物伪装原理转化为技术优势。从海军炫目伪装到现代数字图案，这一进展反映了从自然系统中战略性地借鉴的做法（图3）。当前主流的静态伪装技术——以基于固定像素阵列的数字伪装为例——通过随机颜色块分散来增强隐蔽性。然而，它们的有效性受到预先配置的环境适应性的限制[4,5]。随着智能侦察技术的快速发展，传统伪装方法在动态战场环境中面临严峻挑战。通常需要频繁手动更新伪装图案以适应不断变化的作战区域。这种困境从根本上反映了静态伪装系统与多样化的、不断变化的栖息地之间的固有冲突，这与自然界中能够在多个生态系统中生存的物种稀缺性相呼应。因此，开发出能够实时感知环境、生成图案和渲染表面的生物启发式、动态自适应伪装系统——类似于头足类动物的行为——已成为提高军事装备生存能力的关键技术突破。

方法概述

文献综述

为了提高军事系统在多种环境中的适应性并实现动态隐蔽和主动伪装，全球研究人员正在开发自适应伪装技术。这些技术包括传统的机械变色、光学相干结构色、电致变色和光致变色——这些技术受到变色龙或章鱼等生物的启发，它们能够根据周围环境自然改变表面颜色和纹理。George M.

提出方法概述

光学伪装的核心在于实现目标与其周围环境之间的视觉融合，这与头足类动物观察到的动态颜色变化机制具有根本相似性。受这一生物策略的启发，提出了一种自适应伪装框架。该框架整合了环境感知、仿生计算和柔性显示技术，并在配备彩色电子纸的机器人狗平台上实现。

伪装图案生成

为了进行实验验证，构建了一个室内地形模拟沙盘，集成了沙漠、草地、雪地和泥泞地等背景。此外，还在以下四种环境类型中进行了户外测试：水泥表面、草地、枯萎的草地和泥泞地。按照第3.2节中的图像采集协议，使用沙漠背景来说明样本数据集的构建及相应的伪装图案生成过程。

结论

本研究通过提出并验证一种受头足类动物启发的自适应动态伪装系统，解决了传统静态伪装在动态战场环境中缺乏适应性的核心问题。该系统无缝集成了实时环境感知、仿生图案生成和低功耗电子纸显示技术。其核心是一个闭环的“感知-生成-显示”架构：环境数据通过

CRediT作者贡献声明

栾鹏汉：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、软件开发、资源获取、数据管理、资金筹集。刘恒：项目管理、资源协调、软件开发、监督、验证。何明武：软件开发。冯晨：软件开发。张斌：方法论设计。王素红：方法论设计。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢电磁环境效应与电光工程国家重点实验室（资助编号：61422062406）为这项实验研究提供资金支持。