Design and Optimization of an Animal-Inspired Vision System: Leveraging Vertical Pupil Dynamics for Enhanced Focus and Natural Blurring Shudha Tasnim Iqbal School of Electrical Engineering and Computer Science Gwangju Institute of Science and Technology

Abstract

Biological vision systems offer powerful design inspiration for artificial optics. Ver- tical pupils, found in species such as cats and crocodiles, enable precise focus on spe- cific regions while naturally blurring peripheral areas, enhancing depth perception and camouflage detection. Meanwhile, the horizontal visual streak, as seen in alligators, enhances edge clarity along the horizontal axis by concentrating photoreceptors in a narrow retinal band. This research presents a compact, lightweight two-lens optical system that fuses both features: a vertical pupil aperture for depth cueing and target isolation, and a horizontal streak-inspired enhancement for improved edge detection and image detail. Unlike circular pupils, vertical apertures pose unique optical challenges such as uneven light distribution and increased astigmatism, which are addressed through strategic lens design. The proposed system shows strong potential in UAV-based applications, particu- larly where high-detail imaging and precise object detection are critical—such as in crop monitoring, structural inspection, accident detection, and security surveillance. By mimicking these complementary biological adaptations, the lens system achieves selective, detail-rich imaging without mechanical complexity, offering a novel pathway for intelligent vision in both aerial and ground-based platforms.|생물학적시각시스템은인공광학설계를위한강력한영감을제공합니다.고양이나 악어와 같은 동물에서 발견되는 수직 동공은 특정 영역에 정밀하게 초점을 맞추면서 주 변영역을자연스럽게흐리게만들어깊이지각과위장해제능력을향상시킵니다.한편, 악어의 수평 시각 선(horizon visual streak)은 망막의 수평 축에 광수용체가 밀집되어 있어 수평 방향의 경계 명확도와 세부 정보 인식을 향상시키는 기능을 합니다. 본 연구에서는 이러한 두 가지 생물학적 특성을 융합한 수직 동공 조리개와 수평 시각 선에서 영감을 받은 경계 강조 설계를 결합한 소형 경량 이중 렌즈 광학 시스템을 제안합니다. 수직 동공은 원형 동공과 달리 불균일한 빛 분포로 인해 난시(astigmatism) 나코마(coma)와같은복잡한광학왜곡을유발할수있지만,본설계에서는이를적절한 렌즈 구성으로 보정하였습니다. 제안된 렌즈 시스템은 고해상도 영상 획득과 정밀한 객체 감지가 필요한 분야, 특히 드론기반농작물모니터링,구조물점검,사고감지,보안감시와같은 UAV응용분야에 강력한 가능성을 보입니다. 이와 같은 생체 모방 설계를 통해 기계적 복잡성 없이 선택 적이고 세부적인 영상 처리가 가능해지며, 공중 및 지상 플랫폼 모두에서 활용 가능한 지능형 비전 시스템의 새로운 방향을 제시합니다.