U nedavnoj studiji, istraživači iz Kine razvili su LiDAR sistem-razmjera čipa koji oponaša foveation ljudskog oka dinamički koncentrirajući senzor visoke{1}}rezolucije na regije od interesa (ROI) uz održavanje široke svijesti u cijelom vidnom polju.
Studija je objavljena u časopisuNature Communications.
LiDAR sistemi pokreću mašinski vid u-automobilima koji se samostalno voze, dronovi i roboti ispaljivanjem laserskih zraka za mapiranje 3D scena sa milimetarskom preciznošću. Oko stavlja svoje najgušće senzore u foveu (oštru tačku centralnog vida) i prebacuje pogled na ono što je važno. Nasuprot tome, većina LiDAR-a koristi krute paralelne zrake ili skeniranja koja svuda šire ujednačenu (često grubu) rezoluciju. Povećanje detalja znači ujednačeno dodavanje više kanala, što povećava troškove, snagu i složenost.
Dizajn tima postiže ugaonu rezoluciju "izvan-retinalne" od 0,012 stepeni u ROI-dvostruko oštrijom od granice oka od približno 0,017 stepeni. To znači da sistem može razlikovati tačke razdvojene najmanjim uglovima, kao što je izdvajanje finih detalja na udaljenom putokazu. Preusmjerava paralelne senzorske kanale na zahtjev, izbjegavajući skupo grubo{6}}skaliranje.
Phys.org razgovarao je sa koautorima studije, Ruixuan Chenom i Xingjun Wangom, sa Škole za elektroniku Univerziteta u Pekingu.
"Motivacija dolazi iz praktične neusklađenosti između biološke i mašinske percepcije", objasnili su istraživači. "Ljudsko oko postiže visoku oštrinu i energetsku efikasnost preusmjeravanjem pažnje-održavajući široku svijest uz koncentriranje resursa na ono što je bitno. Nasuprot tome, LiDAR rezoluciju često teži 'više kanala posvuda', što brzo postaje skupo i-postaje gladno energije."
Problem skaliranja
Sistemi mašinskog vida proširili su se izvan tradicionalnih kamera i uključili LiDAR senzore, koji omogućavaju precizno merenje udaljenosti i 3D percepciju okoline. Međutim, za razliku od pasivnih kamera, LiDAR zahtijeva emisioni i prijemni hardver za svaki piksel, ograničavajući dostižnu rezoluciju.
Trenutni pristupi poboljšanju rezolucije LiDAR-a suočavaju se sa kritičnim uskim grlom. Dupliciranje kanala donosi linearnu rezoluciju, ali pokreće superlinearne eksplozije u složenosti, snazi i cijeni.
"Prvo, rezolucija je usko povezana sa brojem hardverskih kanala i mehanikom skeniranja. Drugo, LiDAR je aktivan senzor: svaki piksel efektivno košta resurse za prenos i prijem", objasnili su istraživači. "To čini adaptivno fokusiranje fundamentalno težim nego kod pasivnog snimanja, jer morate upravljati optičkom snagom, osjetljivošću prijemnika i propusnim opsegom za digitalizaciju dok ispunjavate -sigurnosna ograničenja oka."
Za koherentno frekventno{0}}moduliran kontinuirani talasni LiDAR, ovaj izazov je posebno akutan. Svaki koherentni kanal zahteva stabilnu kontrolu frekvencije, sofisticirani hardver za prijem i čvrstu kalibraciju. Zbog toga je veliko dupliciranje kanala daleko teže ekonomski opravdati.
Biomimetičko rješenje
Rešenje istraživača kombinuje dve ključne tehnologije. To uključuje agilni laser sa eksternim-kavitetom (ECL) sa opsegom podešavanja od preko 100 nm i rekonfigurabilne češljeve elektro-optičke frekvencije izgrađene na platformama tankog-filmskog litijum niobata (TFLN).
ECL obezbjeđuje-kvalitetne FMCW chirp signale za koherentan raspon i djeluje kao mehanizam za upravljanje talasnom dužinom-kontrolisanim snopom{2}}. Podešavanjem središnje talasne dužine, sistem može brzo preusmjeriti svoj smjer gledanja unutar širokog vidnog polja.
Elektro-opticki češalj zatim generiše više paralelnih FMCW nosača iz istog izvora laserskog signala. Najvažnije je da prilagođavanje uslova radio frekvencijskog pogona mijenja razmak između češlja.
"To je ono što omogućava 'zumiranje'-možemo povećati gustinu tačaka u odabranoj regiji (finije uzorkovanje) ili je opustiti (grublje uzorkovanje) bez mijenjanja optike ili dodavanja kanala", dodali su istraživači.
Sistem koristi ono što istraživači nazivaju "mikro{0}}paralelizam." To znači korištenje umjerenog broja fizičkih kanala za postizanje ekvivalenta daleko više linija za skeniranje kroz dinamičko premještanje.
Eksperimentalna validacija
Tim je demonstrirao mogućnosti sistema u tri eksperimentalna scenarija, postigavši ugaonu rezoluciju od 0,012 stepeni u fokusiranim regijama-premašivši nominalnu granicu ljudske mrežnjače.
U statičnom snimanju scene, sistem je snimio simulirano okruženje puta u rezolucijama od 54 x 71 piksel za skeniranje punog-vidnog polja-i 17 x 71 piksel za skeniranje s lokalnom fokusom. Ova fokusirana skeniranja su učetvorostručila vertikalnu gustinu detalja, otkrivajući prepreke koje su ranije bile nevidljive, sa 90% tačaka preciznih na manje od 1,3 cm.
Istraživači su također demonstrirali LiDAR{0}}fuziju kamere, stvarajući obojene oblake tačaka koji kombinuju preciznu 3D geometriju sa RGB podacima o izgledu. Kada se poredi standardna i fokusirana skeniranja, poravnanje histograma boja poboljšano je za približno 10%, što ukazuje na bolju korespondenciju između 3D tačaka i piksela slike.
"Stapanjem LiDAR-a sa kamerom, generišemo obojene oblake tačaka i obogaćujemo reprezentaciju scene, što poboljšava interpretabilnost i podržava zadatke percepcije koji zavise od teksture i semantičkih znakova", objasnili su istraživači.
Možda najimpresivnije, tim je snimio-4D-plus sliku-košarkaškog bacanja u realnom vremenu gdje je svaka tačka istovremeno pokazivala poziciju, brzinu okretanja, refleksiju površine i boju. Pri 8 Hz u širokom vidnom polju, ovo je otkrilo obrasce kretanja nevidljive standardnom 3D LiDAR-u.
Eksperimentalni rad je otkrio važne kompromise na nivou-sistema koji utiču na buduće razvojne puteve.
"Najjasnija je napetost između ugaone rezolucije i mjerne visine po{0}}kanalu," primijetili su istraživači. "U našem paralelnom koherentnom očitavanju, svaki kanal mora zauzeti svoj vlastiti električni pojas koji se - ne preklapa. Kada smanjimo stopu ponavljanja, zaista možemo pogurati ugaono uzorkovanje finije, ali eksperiment pokazuje da ovo također komprimira propusni opseg očitavanja po-kanalu."
Tim je identifikovao nekoliko prioritetnih pravaca za unapređenje tehnologije ka praktičnoj primeni. To uključuje dublju monolitnu integraciju na TFLN platformama, razvoj ultra-širokopojasnih izvora za poboljšanu rezoluciju dometa i implementaciju zatvorenih-politika pažnje za percepciju vođenu događajima-.
Trenutni eksperimenti koji koriste veze vlakana uvode nestabilnost polarizacije koja ograničava mogućnosti klasifikacije materijala.
"Međutim, predviđamo da će monolitna integracija fundamentalno riješiti ovo usko grlo", rekli su istraživači. "Prelaskom s nestabilnih puteva vlakana na ograničene na-valovode na čipu, možemo postići stabilan oporavak polarizacije."
Bionički LiDAR sistem nudi potencijalne aplikacije koje obuhvataju autonomna vozila, zračne i pomorske dronove, robotiku i neuromorfne sisteme vida. Osim LiDAR-a, rekonfigurabilni češljevi omogućavaju brzu spektralnu analizu za optičku komunikaciju, koherentnu tomografiju, kompresivno sensing i preciznu metrologiju, prema istraživačima.
