V nedávné studii výzkumníci z Číny vyvinuli čipový-systém LiDAR, který napodobuje foveaci lidského oka tím, že dynamicky soustřeďuje-snímání s vysokým rozlišením na oblasti zájmu (ROI) při zachování širokého povědomí v celém zorném poli.
Studie je publikována v časopisePříroda komunikace.
Systémy LiDAR podporují strojové vidění v-automobilech, dronech a robotech vystřelováním laserových paprsků k mapování 3D scén s milimetrovou přesností. Oko zabalí své nejhustší senzory do fovey (ostré centrální vidění) a přesune pohled na to, co je důležité. Naproti tomu většina LiDARů používá tuhé paralelní paprsky nebo skeny, které všude šíří jednotné (často hrubé) rozlišení. Zvýšení detailů znamená přidat více kanálů rovnoměrně, což exploduje náklady, výkon a složitost.
Návrh týmu dosahuje „za-retinální“ úhlové rozlišení 0,012 stupně v ROI- dvakrát tak ostré, než je přibližný limit oka 0,017 stupně. To znamená, že systém dokáže rozlišit body oddělené nejmenšími úhly, jako je výběr jemných detailů na vzdálené dopravní značce. Na požádání přerozděluje paralelní snímací kanály, čímž se vyhne nákladnému škálování hrubou silou.
Phys.org hovořil se spoluautory studie-, Ruixuan Chenem a Xingjun Wangem z Pekingské univerzity School of Electronics.
"Motivace pochází z praktického nesouladu mezi biologickým a strojovým vnímáním," vysvětlili vědci. "Lidské oko dosahuje vysoké ostrosti a energetické účinnosti přerozdělením pozornosti-se zachováním širokého povědomí při současném soustředění zdrojů na to, na čem záleží. Naproti tomu rozlišení LiDAR je často prosazováno "více kanály všude", což se rychle stává drahým a-hladovým po energii."
Problém škálování
Systémy strojového vidění se rozšířily za hranice tradičních kamer a zahrnují senzory LiDAR, které umožňují přesné měření vzdálenosti a 3D vnímání prostředí. Na rozdíl od pasivních kamer však LiDAR vyžaduje hardware pro vysílání a příjem pro každý pixel, což omezuje dosažitelné rozlišení.
Současné přístupy ke zlepšení rozlišení LiDAR čelí kritickému úzkému hrdlu. Duplikace kanálů přináší zisky lineárního rozlišení, ale spouští superlineární exploze ve složitosti, výkonu a ceně.
"Za prvé, rozlišení je úzce spojeno s počtem hardwarových kanálů a skenovací mechanikou. Za druhé, LiDAR je aktivní senzor: každý pixel efektivně stojí zdroje pro vysílání i příjem," vysvětlili vědci. "To činí adaptivní ostření zásadně obtížnějším než u pasivního zobrazování, protože musíte řídit optický výkon, citlivost přijímače a šířku pásma digitalizace a zároveň dodržovat bezpečnostní- omezení."
U koherentní frekvenčně-modulované spojité vlny LiDAR je tento problém obzvláště naléhavý. Každý koherentní kanál vyžaduje stabilní řízení frekvence, sofistikovaný hardware příjmu a přesnou kalibraci. To činí masivní zdvojení kanálů mnohem obtížnější ekonomicky ospravedlnit.
Biomimetický roztok
Řešení výzkumníků kombinuje dvě klíčové technologie. Patří mezi ně agilní externí-dutinový laser (ECL) s rozsahem ladění přes 100 nm a rekonfigurovatelné elektro-optické frekvenční hřebeny postavené na tenkých-filmových platformách lithium niobate (TFLN).
ECL poskytuje vysoce -kvalitní signály FMCW cvrlikání pro koherentní určování vzdálenosti a funguje jako řídicí mechanismus -řízeného paprsku- vlnové délky. Vyladěním střední vlnové délky může systém rychle přesměrovat svůj směr pohledu v širokém zorném poli.
Elektro-optický hřeben pak generuje několik paralelních FMCW nosičů ze stejného cvrlikání laserového zdroje. Rozhodující je, že úprava podmínek vysokofrekvenčního měniče mění rozteč hřebenů.
„To je to, co umožňuje ‚přiblížení‘-, můžeme zvýšit hustotu bodů ve vybrané oblasti (jemnější vzorkování) nebo ji uvolnit (hrubší vzorkování), aniž bychom měnili optiku nebo přidávali kanály,“ dodali vědci.
Systém využívá to, co výzkumníci nazývají „mikro{0}}paralelismus“. To znamená použití přiměřeného počtu fyzických kanálů k dosažení ekvivalentu mnohem více skenovacích řádků prostřednictvím dynamického přemístění.
Experimentální ověření
Tým demonstroval schopnosti systému ve třech experimentálních scénářích a dosáhl úhlového rozlišení 0,012 stupně v zaostřených oblastech-přesahujících nominální limit lidské sítnice.
Při statickém zobrazování scény systém zachytil simulované prostředí vozovky v rozlišení 54 x 71 pixelů pro skenování v celém --zorném poli a 17 x 71 pixelů pro skenování s lokálním zaměřením. Tyto zaostřené skeny čtyřnásobně zvýšily hustotu vertikálních detailů a odhalily dříve neviditelné překážky s přesností 90 % bodů pod 1,3 cm.
Výzkumníci také předvedli fúzi LiDAR-kamery a vytvořili barevná mračna bodů, která kombinují přesnou 3D geometrii s daty o vzhledu RGB. Při porovnání standardních a zaostřených skenů se zarovnání histogramu barev zlepšilo přibližně o 10 %, což ukazuje na lepší shodu mezi 3D body a obrazovými pixely.
„Spojením LiDARu s kamerou generujeme barevná mračna bodů a obohacujeme reprezentaci scény, což zlepšuje interpretovatelnost a podporuje následné úkoly vnímání, které závisí na textuře a sémantických vodících,“ vysvětlili vědci.
Možná nejpůsobivější je, že tým zachytil v reálném čase{0}}4D-plus zobrazení-ho basketbalového hodu, kde každý bod současně ukazoval polohu, rychlost rotace, odrazivost povrchu a barvu. Při 8 Hz v širokém zorném poli to odhalilo pohybové vzory neviditelné pro standardní 3D LiDAR.
Experimentální práce odhalila důležité kompromisy-na úrovni systému, které jsou základem budoucího vývoje.
„Nejjasnější je napětí mezi úhlovým rozlišením a prostorem pro měření na{0}}kanál,“ poznamenali vědci. "V našem paralelním koherentním odečtu musí každý kanál zabírat své vlastní -překrývající se elektrické pásmo. Když snížíme opakovací frekvenci, můžeme skutečně zjemnit úhlové vzorkování, ale experiment ukazuje, že se tím také komprimuje odečtová šířka pásma na-kanál."
Tým identifikoval několik prioritních směrů pro pokrok technologie směrem k praktickému nasazení. Patří mezi ně hlubší monolitická integrace na platformách TFLN, vývoj ultra-širokopásmových rozmítaných zdrojů pro lepší rozlišení dosahu a implementace uzavřených -zásad pozornosti pro vnímání událostí-.
Současné experimenty využívající vláknové spoje zavádějí polarizační nestabilitu, která omezuje možnosti klasifikace materiálů.
"Předpokládáme však, že monolitická integrace toto úzké hrdlo zásadně vyřeší," uvedli vědci. "Přechodem z nestabilních vláken na vlnovody s omezeným-čipem můžeme dosáhnout stabilní obnovy polarizace."
Bionický systém LiDAR nabízí potenciální aplikace zahrnující autonomní vozidla, letecké a námořní drony, robotiku a neuromorfní systémy vidění. Kromě LiDAR umožňují rekonfigurovatelné hřebeny rychlou spektrální analýzu pro optickou komunikaci, koherenční tomografii, kompresní snímání a přesnou metrologii, podle výzkumníků.
