Nesenā pētījumā Ķīnas pētnieki ir izstrādājuši mikroshēmas{0}}mēroga LiDAR sistēmu, kas atdarina cilvēka acs viļņošanos, dinamiski koncentrējot augstas{1}}izšķirtspējas sensorus uz interesējošajiem reģioniem (ROI), vienlaikus saglabājot plašu izpratni visā redzes laukā.
Pētījums ir publicēts žurnālāDabas sakari.
LiDAR sistēmas nodrošina mašīnas redzi pašbraucošās{0}}automašīnās, dronos un robotos, izšaujot lāzera starus, lai kartētu 3D ainas ar milimetru precizitāti. Acs ievieto savus blīvākos sensorus foveā (asā centrālā redzes vietā) un novirza skatienu uz svarīgāko. Turpretim lielākā daļa LiDAR izmanto stingrus paralēlus starus vai skenējumus, kas visur izplata vienmērīgu (bieži vien rupju) izšķirtspēju. Detaļu palielināšana nozīmē vairāku kanālu vienveidīgu pievienošanu, kas palielina izmaksas, jaudu un sarežģītību.
Komandas dizains sasniedz 0,012 grādu leņķisko izšķirtspēju, kas pārsniedz -tīklenes ROI,{2}}divas reizes asāku nekā acs aptuvenais 0,017 grādu ierobežojums. Tas nozīmē, ka sistēma var atšķirt punktus, kas atdalīti ar mazākajiem leņķiem, piemēram, izceļot smalkas detaļas uz attālas ceļa zīmes. Tas pēc pieprasījuma pārdala paralēlās uztveršanas kanālus, izvairoties no dārgas brutālās-spēka mērogošanas.
Phys.org runāja ar pētījuma līdzautoriem Ruixuan Chen un Xingjun Wang no Pekinas Universitātes Elektronikas skolas.
"Motivācija nāk no praktiskas neatbilstības starp bioloģisko un mašīnu uztveri," paskaidroja pētnieki. "Cilvēka acs panāk augstu asumu un energoefektivitāti, pārdalot uzmanību, saglabājot plašu izpratni, vienlaikus koncentrējot resursus uz svarīgāko. Turpretim LiDAR izšķirtspēja bieži tiek sasniegta ar "vairāk kanālu visur", kas ātri kļūst dārgs un -izsalcis enerģijas."
Mērogošanas problēma
Mašīnredzes sistēmas ir paplašinājušās ārpus tradicionālajām kamerām, iekļaujot LiDAR sensorus, kas nodrošina precīzu attāluma mērīšanu un 3D vides uztveri. Tomēr atšķirībā no pasīvajām kamerām LiDAR pieprasa emisijas un uztveršanas aparatūru katram pikselim, ierobežojot sasniedzamo izšķirtspēju.
Pašreizējās pieejas LiDAR izšķirtspējas uzlabošanai saskaras ar kritisku vājo vietu. Kanālu dublēšana nodrošina lineāru izšķirtspējas pieaugumu, bet izraisa superlineārus sarežģītības, jaudas un izmaksu sprādzienus.
"Pirmkārt, izšķirtspēja ir cieši saistīta ar aparatūras kanālu skaitu un skenēšanas mehāniku. Otrkārt, LiDAR ir aktīvs sensors: katrs pikselis efektīvi maksā gan pārraides, gan saņemšanas resursus," skaidro pētnieki. "Tas padara adaptīvo fokusēšanu ievērojami grūtāku nekā pasīvajā attēlveidē, jo jums jāpārvalda optiskā jauda, uztvērēja jutība un digitalizācijas joslas platums, vienlaikus ievērojot acu-drošības ierobežojumus."
Koherentas frekvences{0}}modulēta nepārtraukta viļņa LiDAR gadījumā šis izaicinājums ir īpaši akūts. Katram saskaņotajam kanālam ir nepieciešama stabila frekvences kontrole, sarežģīta uztveršanas aparatūra un stingra kalibrēšana. Tas padara kanālu masveida dublēšanos daudz grūtāk ekonomiski pamatotu.
Biomimētisks risinājums
Pētnieku risinājums apvieno divas galvenās tehnoloģijas. Tie ietver elastīgu ārējo-cavity lāzeru (ECL) ar regulēšanas diapazonu, kas pārsniedz 100 nm, un pārkonfigurējamas elektro-optiskās frekvences ķemmes, kas veidotas uz plānas-litija niobāta (TFLN) plēves platformām.
ECL nodrošina augstas-kvalitatīvas FMCW čivināšanas signālus saskaņotai diapazona noteikšanai un darbojas kā viļņa garuma-vadāms staru{2}}vadības mehānisms. Noregulējot centrālo viļņa garumu, sistēma var ātri novirzīt skatīšanās virzienu plašā redzes laukā.
Pēc tam elektro-optiskā ķemme ģenerē vairākus paralēlus FMCW nesējus no viena un tā paša lāzera avota. Būtiski, ka radiofrekvenču piedziņas nosacījumu pielāgošana maina ķemmes atstatumu.
"Tas iespējo" tālummaiņu"{0}}mēs varam palielināt punktu blīvumu atlasītajā reģionā (precīzāka paraugu ņemšana) vai atslābināt to (rupjāka iztveršana), nemainot optiku vai nepievienojot kanālus," piebilda pētnieki.
Sistēmā tiek izmantots tas, ko pētnieki sauc par "mikro{0}}paralēlismu". Tas nozīmē, ka ir jāizmanto mērens skaits fizisko kanālu, lai ar dinamiskas pārvietošanas palīdzību sasniegtu daudz vairāk skenēšanas līniju.
Eksperimentālā validācija
Komanda demonstrēja sistēmas iespējas trīs eksperimentālos scenārijos, sasniedzot 0,012 grādu leņķisko izšķirtspēju fokusētajos reģionos{1}}, kas pārsniedz cilvēka tīklenes nominālo robežu.
Statiskā ainas attēlveidošanā sistēma uztvēra imitētu ceļa vidi ar izšķirtspēju 54 x 71 pikseļi pilna -skata lauka-skenēšanai un 17 x 71 pikseļi lokāli fokusētai skenēšanai. Šie fokusētie skenējumi četrkāršoja vertikālo detaļu blīvumu, atklājot šķēršļus, kas iepriekš nebija redzami, ar 90% punktu precizitāti līdz 1,3 cm.
Pētnieki arī demonstrēja LiDAR{0}}kameru saplūšanu, radot krāsainus punktu mākoņus, kas apvieno precīzu 3D ģeometriju ar RGB izskata datiem. Salīdzinot standarta un fokusētos skenējumus, krāsu histogrammas izlīdzināšana uzlabojās par aptuveni 10%, kas liecina par labāku atbilstību starp 3D punktiem un attēla pikseļiem.
"Savienojot LiDAR ar kameru, mēs ģenerējam krāsainus punktu mākoņus un bagātinām ainas attēlojumu, kas uzlabo interpretējamību un atbalsta pakārtotos uztveres uzdevumus, kas ir atkarīgi no tekstūras un semantiskiem norādēm," skaidroja pētnieki.
Iespējams, visiespaidīgākais ir tas, ka komanda uztvēra reāllaika-4D-plus attēlveidošanas-basketbola sitienu, kurā katrs punkts vienlaikus rādīja pozīciju, griešanās ātrumu, virsmas atstarošanos un krāsu. Ar 8 Hz plašā redzes laukā tas atklāja kustības modeļus, kas nav redzami standarta 3D LiDAR.
Eksperimentālais darbs atklāja svarīgus sistēmas{0}}līmeņa kompromisus, kas informē par turpmāko attīstību.
"Visskaidrākais no tiem ir saspīlējums starp leņķisko izšķirtspēju un{0}}kanāla mērījumu augstumu," atzīmēja pētnieki. "Mūsu paralēlajā saskaņotajā nolasījumā katram kanālam ir jāaizņem sava nepārklājošā elektriskā josla. Samazinot atkārtošanās biežumu, mēs patiešām varam uzlabot leņķisko paraugu ņemšanu, taču eksperiments parāda, ka tas arī samazina katra kanāla nolasīšanas joslas platumu."
Komanda noteica vairākus prioritāros virzienus, lai tehnoloģiju virzītu uz praktisku izvēršanu. Tie ietver padziļinātu monolītu integrāciju TFLN platformās, ultra-platjoslas slaucītu avotu izstrādi, lai uzlabotu diapazona izšķirtspēju, un slēgtas -cilpas uzmanības politikas ieviešanu notikumu-vadītai uztverei.
Pašreizējie eksperimenti, izmantojot šķiedru saites, rada polarizācijas nestabilitāti, kas ierobežo materiālu klasifikācijas iespējas.
"Tomēr mēs paredzam, ka monolīta integrācija būtiski atrisinās šo vājo vietu," sacīja pētnieki. "Pārslēdzoties no nestabiliem šķiedru ceļiem uz ierobežotiem -mikroshēmas viļņvadiem, mēs varam panākt stabilu polarizācijas atjaunošanos."
Bioniskā LiDAR sistēma piedāvā potenciālus lietojumus, kas aptver autonomus transportlīdzekļus, gaisa un jūras dronus, robotiku un neiromorfās redzes sistēmas. Pēc pētnieku domām, ne tikai LiDAR, pārkonfigurējamās ķemmes nodrošina ātru optisko sakaru spektrālo analīzi, koherences tomogrāfiju, kompresijas sensoru un precīzas metroloģiju.
