V nedavni študiji so kitajski raziskovalci razvili čip{0}}sistem LiDAR, ki posnema foveacijo človeškega očesa z dinamičnim koncentriranjem zaznavanja visoke-ločljivosti na interesne regije (ROI), hkrati pa ohranja široko zavest v celotnem vidnem polju.
Študija je objavljena v revijiNature Communications.
Sistemi LiDAR poganjajo strojni vid-v samovozečih avtomobilih, dronih in robotih s sprožanjem laserskih žarkov za preslikavo 3D-prizorov z milimetrsko natančnostjo. Oko svoje najgostejše senzorje zapakira v foveo (ostro osrednjo vidno točko) in usmeri pogled na tisto, kar je pomembno. Nasprotno pa večina LiDAR-jev uporablja toge vzporedne žarke ali skene, ki povsod širijo enakomerno (pogosto grobo) ločljivost. Povečanje podrobnosti pomeni enakomerno dodajanje več kanalov, kar eksplodira stroške, moč in kompleksnost.
Zasnova ekipe dosega kotno ločljivost "nad-mrežnice" 0,012 stopinje v ROI-dvakrat ostrejše od očesne omejitve 0,017 stopinje. To pomeni, da lahko sistem razlikuje točke, ločene z najmanjšimi koti, na primer izločanje drobnih podrobnosti na oddaljenem prometnem znaku. Na zahtevo prerazporedi vzporedne kanale zaznavanja, s čimer se izogne dragemu brute{6}}prilagoditvi.
Phys.org se je pogovarjal s so-avtorjema študije, Ruixuan Chen in Xingjun Wang, s šole za elektroniko Univerze v Pekingu.
"Motivacija izvira iz praktičnega neskladja med biološkim in strojnim zaznavanjem," so pojasnili raziskovalci. »Človeško oko doseže visoko ostrino in energijsko učinkovitost s prerazporeditvijo pozornosti-ohranjanjem široke ozaveščenosti, medtem ko osredotoča vire na tisto, kar je pomembno. Nasprotno pa si ločljivost LiDAR pogosto prizadeva za 'več kanalov povsod', kar hitro postane drago in-potratno.«
Problem skaliranja
Sistemi strojnega vida so se razširili izven tradicionalnih kamer in vključujejo senzorje LiDAR, ki omogočajo natančno merjenje razdalje in 3D zaznavanje okolja. Za razliko od pasivnih kamer pa LiDAR zahteva strojno opremo za oddajanje in sprejem za vsako slikovno piko, kar omejuje dosegljivo ločljivost.
Trenutni pristopi k izboljšanju ločljivosti LiDAR se soočajo s kritičnim ozkim grlom. Podvajanje kanalov zagotavlja linearno povečanje ločljivosti, vendar sproži superlinearne eksplozije v kompleksnosti, moči in stroških.
"Prvič, ločljivost je tesno povezana s številom kanalov strojne opreme in mehaniko skeniranja. Drugič, LiDAR je aktivni senzor: vsaka slikovna pika dejansko stane vire za oddajanje in sprejemanje," so pojasnili raziskovalci. "Zaradi tega je prilagodljivo ostrenje bistveno težje kot pri pasivnem slikanju, ker morate upravljati optično moč, občutljivost sprejemnika in pasovno širino digitalizacije, pri tem pa upoštevati varnostne-omejitve."
Za koherentno frekvenčno{0}}modulirani neprekinjeni LiDAR je ta izziv še posebej pereč. Vsak koherentni kanal zahteva stabilno kontrolo frekvence, sofisticirano strojno opremo za sprejem in natančno kalibracijo. Zaradi tega je množično podvajanje kanalov veliko težje ekonomsko upravičiti.
Biomimetična rešitev
Rešitev raziskovalcev združuje dve ključni tehnologiji. Ti vključujejo agilen zunanji-laser z votlino (ECL) z razponom uglaševanja več kot 100 nm in rekonfigurabilne elektro-optične frekvenčne glavnike, zgrajene na tanko{4}}platformah litijevega niobata (TFLN).
ECL zagotavlja visoko{0}}kakovostne signale FMCW za koherentno določanje obsega in deluje kot mehanizem-nadzorovanega žarka-valovne dolžine. Z nastavitvijo sredinske valovne dolžine lahko sistem hitro preusmeri svojo smer gledanja v širokem vidnem polju.
Elektro{0}}optični glavnik nato ustvari več vzporednih nosilcev FMCW iz istega laserskega vira s čirkanjem. Bistveno je, da prilagajanje pogojev radiofrekvenčnega pogona spremeni razmik glavnika.
»To je tisto, kar omogoča 'zoom'-lahko povečamo gostoto točk v izbrani regiji (finejše vzorčenje) ali jo omilimo (grobše vzorčenje) brez spreminjanja optike ali dodajanja kanalov,« so dodali raziskovalci.
Sistem uporablja to, kar raziskovalci imenujejo "mikro-paralelizem." To pomeni uporabo zmernega števila fizičnih kanalov za doseganje enakovrednosti veliko več linij skeniranja z dinamičnim spreminjanjem položaja.
Eksperimentalna validacija
Ekipa je prikazala zmogljivosti sistema v treh poskusnih scenarijih in dosegla kotno ločljivost 0,012 stopinje v osredotočenih regijah-, kar je preseglo nominalno mejo človeške mrežnice.
Pri slikanju statičnega prizora je sistem zajel simulirano cestno okolje pri ločljivosti 54 krat 71 slikovnih pik za skeniranje celotnega polja--pogleda in 17 krat 71 slikovnih pik za lokalno usmerjeno skeniranje. Ta fokusirana skeniranja so štirikrat povečala gostoto navpičnih podrobnosti in razkrile ovire, ki prej niso bile vidne, pri čemer je 90 % točk natančnih pod 1,3 cm.
Raziskovalci so tudi prikazali zlitje kamere LiDAR-, pri čemer so ustvarili obarvane oblake točk, ki združujejo natančno 3D-geometrijo s podatki o videzu RGB. Pri primerjavi standardnega in fokusiranega skeniranja se je poravnava barvnega histograma izboljšala za približno 10 %, kar kaže na boljše ujemanje med 3D točkami in slikovnimi pikami.
"S spajanjem LiDAR s kamero ustvarimo obarvane oblake točk in obogatimo predstavitev prizora, kar izboljša interpretabilnost in podpira naloge zaznavanja navzdol, ki so odvisne od teksture in semantičnih znakov," so pojasnili raziskovalci.
Morda je najbolj impresivno to, da je ekipa posnela v realnem{0}}času 4D-in slikanje-metanje košarkarske žoge, kjer je vsaka točka hkrati prikazovala položaj, hitrost vrtenja, odbojnost površine in barvo. Pri 8 Hz v širokem vidnem polju je to razkrilo vzorce gibanja, ki jih standardni 3D LiDAR ne vidi.
Eksperimentalno delo je razkrilo pomembne kompromise-na ravni sistema, ki določajo prihodnje razvojne poti.
»Najbolj jasna je napetost med kotno ločljivostjo in-prostorom merjenja na kanal,« so ugotovili raziskovalci. "V našem vzporednem koherentnem odčitavanju mora vsak kanal zavzeti svoj lasten ne-prekrivajoči se električni pas. Ko zmanjšamo stopnjo ponavljanja, lahko res izboljšamo kotno vzorčenje, vendar poskus kaže, da to tudi stisne pasovno širino odčitavanja na-kanal."
Ekipa je opredelila več prednostnih usmeritev za napredek tehnologije v smeri praktične uporabe. Ti vključujejo globljo monolitno integracijo na platformah TFLN, razvoj ultra-širokopasovnih virov za izboljšano ločljivost obsega in implementacijo politik pozornosti zaprte-zanke za zaznavanje-na podlagi dogodkov.
Trenutni poskusi z uporabo optičnih povezav uvajajo polarizacijsko nestabilnost, ki omejuje zmožnosti razvrščanja materialov.
"Vendar predvidevamo, da bo monolitna integracija temeljito rešila to ozko grlo," so povedali raziskovalci. "S prehodom z nestabilnih vlaken na valovode, omejene na-čip, lahko dosežemo stabilno obnovitev polarizacije."
Bionični sistem LiDAR ponuja potencialne aplikacije, ki zajemajo avtonomna vozila, zračna in pomorska brezpilotna letala, robotiko in nevromorfne sisteme vida. Razen LiDAR-ja rekonfigurabilni glavniki po mnenju raziskovalcev omogočajo hitro spektralno analizo za optične komunikacije, koherentno tomografijo, kompresijsko zaznavanje in natančno meroslovje.
