У недавној студији, истраживачи из Кине су развили ЛиДАР систем{0}}размера чипа који опонаша фовеацију људског ока динамички концентришући детекцију високе{1}}резолуције на регионе од интереса (РОИ) уз одржавање широке свести у целом видном пољу.
Студија је објављена у часописуНатуре Цоммуницатионс.
ЛиДАР системи покрећу машински вид у -аутомобилима који се сами возе, беспилотним летелицама и роботима испаљивањем ласерских зрака за мапирање 3Д сцена са милиметарском прецизношћу. Око спакује своје најгушће сензоре у фовеу (оштра тачка централног вида) и помера поглед на оно што је важно. Насупрот томе, већина ЛиДАР-ова користи круте паралелне зраке или скенирања која свуда шире уједначену (често грубу) резолуцију. Повећање детаља значи равномерно додавање више канала, што повећава трошкове, снагу и сложеност.
Дизајн тима постиже угаону резолуцију „изнад-ретиналне“ од 0,012 степени у РОИ-двоструко оштријој од приближне границе ока од 0,017 степени. То значи да систем може да разликује тачке раздвојене најмањим угловима, као што је издвајање финих детаља на удаљеном путном знаку. Он поново додељује паралелне канале сенсинга на захтев, избегавајући скупо грубо{6}}скалирање.
Пхис.орг разговарао је са коауторима студије, Руикуан Цхеном и Ксингјун Вангом, са Школе за електронику Универзитета у Пекингу.
„Мотивација долази из практичне неусклађености између биолошке и машинске перцепције“, објаснили су истраживачи. „Људско око постиже високу оштрину и енергетску ефикасност тако што прераспоређује пажњу-одржавајући широку свест док концентрише ресурсе на оно што је важно. Насупрот томе, ЛиДАР резолуцији често тежи „више канала свуда“, што брзо постаје скупо и-постаје гладно енергије.“
Проблем скалирања
Системи машинског вида проширили су се изван традиционалних камера и укључили ЛиДАР сензоре, који омогућавају прецизно мерење удаљености и 3Д перцепцију животне средине. Међутим, за разлику од пасивних камера, ЛиДАР захтева хардвер за емитовање и пријем за сваки пиксел, ограничавајући достижну резолуцију.
Тренутни приступи побољшању резолуције ЛиДАР-а суочавају се са критичним уским грлом. Дуплирање канала доноси линеарну резолуцију, али изазива суперлинеарне експлозије у сложености, снази и цени.
„Прво, резолуција је уско повезана са бројем хардверских канала и механиком скенирања. Друго, ЛиДАР је активан сензор: сваки пиксел ефективно кошта ресурсе за пренос и пријем“, објаснили су истраживачи. „То чини адаптивно фокусирање суштински тежим него код пасивног снимања, јер морате да управљате оптичком снагом, осетљивошћу пријемника и пропусним опсегом за дигитализацију док испуњавате{2}}безбедносна ограничења за очи.“
За ЛиДАР са кохерентном фреквенцијом{0}}модулисаним континуираним таласима, овај изазов је посебно акутан. Сваки кохерентни канал захтева стабилну контролу фреквенције, софистицирани хардвер за пријем и чврсту калибрацију. Ово чини да је масовно дуплирање канала далеко теже економски оправдати.
Биомиметичко решење
Решење истраживача комбинује две кључне технологије. То укључује агилни ласер са екстерним-шупљинама (ЕЦЛ) са опсегом подешавања од преко 100 нм и реконфигурабилне електро-чешљеве са оптичком фреквенцијом изграђене на платформама са танким-филмом литијум ниобата (ТФЛН).
ЕЦЛ обезбеђује-квалитетне ФМЦВ цхирп сигнале за кохерентан опсег и делује као механизам за управљање таласном дужином{1}}контролисаним снопом{2}}. Подешавањем централне таласне дужине, систем може брзо да преусмери свој смер гледања унутар широког видног поља.
Електро-оптицки чешаљ затим генерише више паралелних ФМЦВ носача из истог извора ласерског сигнала. Најважније је да прилагођавање услова радио фреквенцијског погона мења размак између чешља.
„То је оно што омогућава 'зумирање'-можемо повећати густину тачака у изабраном региону (финије узорковање) или га опустити (грубље узорковање) без промене оптике или додавања канала“, додали су истраживачи.
Систем користи оно што истраживачи називају „микро{0}}паралелизам“. То значи коришћење умереног броја физичких канала да би се постигао еквивалент далеко више линија за скенирање кроз динамичко репозиционирање.
Експериментална валидација
Тим је демонстрирао могућности система у три експериментална сценарија, постигавши угаону резолуцију од 0,012 степени у фокусираним регионима-премашивши номиналну границу мрежњаче човека.
У статичном снимању сцене, систем је снимио симулирано окружење пута у резолуцијама од 54 к 71 пиксел за скенирање пуног поља--видног поља и 17 к 71 пиксел за локално фокусирано скенирање. Ова фокусирана скенирања су учетворостручила густину вертикалних детаља, откривајући препреке које су раније биле невидљиве, са 90% тачака прецизних на мање од 1,3 цм.
Истраживачи су такође демонстрирали ЛиДАР{0}}фузију камере, стварајући обојене облаке тачака који комбинују прецизну 3Д геометрију са РГБ подацима о изгледу. Када се пореди стандардна и фокусирана скенирања, поравнање хистограма боја је побољшано за приближно 10%, што указује на бољу кореспонденцију између 3Д тачака и пиксела слике.
„Стапањем ЛиДАР-а са камером, генеришемо обојене облаке тачака и обогаћујемо репрезентацију сцене, што побољшава интерпретабилност и подржава низводне задатке перцепције који зависе од текстуре и семантичких знакова“, објаснили су истраживачи.
Можда је најупечатљивије то што је тим снимио-4Д-плус снимак-у реалном времену кошаркашког бацања где је свака тачка истовремено показивала позицију, брзину окретања, рефлексију површине и боју. При 8 Хз у широком видном пољу, ово је открило обрасце кретања невидљиве за стандардни 3Д ЛиДАР.
Експериментални рад је открио важне компромисе{0}}на нивоу система који утичу на будуће развојне путеве.
„Најјаснија је напетост између угаоне резолуције и висине мерења по{0}}каналу“, приметили су истраживачи. „У нашем паралелном кохерентном очитавању, сваки канал мора да заузме сопствени електрични опсег који се- не преклапа. Када смањимо стопу понављања, заиста можемо финије да померимо угаоно узорковање, али експеримент показује да ово такође компримира пропусни опсег очитавања по-каналу.“
Тим је идентификовао неколико приоритетних праваца за унапређење технологије ка практичној примени. То укључује дубљу монолитну интеграцију на ТФЛН платформама, развој ултра-широкопојасних извора за побољшану резолуцију домета и примену затворених-смерница за пажњу у вези са перцепцијом вођеном догађајима-.
Тренутни експерименти који користе влакнасте везе уводе нестабилност поларизације која ограничава могућности класификације материјала.
„Међутим, предвиђамо да ће монолитна интеграција суштински решити ово уско грло“, рекли су истраживачи. „Преласком са нестабилних путања влакана на таласоводе ограничених на-чипове, можемо постићи стабилан опоравак поларизације.“
Бионички ЛиДАР систем нуди потенцијалне апликације које обухватају аутономна возила, ваздушне и морске дронове, роботику и неуроморфне системе вида. Осим ЛиДАР-а, реконфигурабилни чешљеви омогућавају брзу спектралну анализу за оптичке комуникације, кохерентну томографију, компресивно сенсинг и прецизну метрологију, према истраживачима.
