Neseniai atliktame tyrime Kinijos mokslininkai sukūrė lusto{0}}masto LiDAR sistemą, kuri imituoja žmogaus akies judesį, dinamiškai sutelkdama didelės-raiškos jutimą į dominančius regionus (IG), išlaikant platų suvokimą visame matymo lauke.
Tyrimas publikuojamas žurnaleGamtos komunikacijos.
LiDAR sistemos užtikrina mašinų regėjimą{0}}savarankiškai važiuojančiuose automobiliuose, dronuose ir robotuose, šaudydami lazerio spinduliais, kad milimetro tikslumu atvaizduotų 3D scenas. Akys tankiausius jutiklius sutalpina į duobutę (aštrią centrinę regėjimo vietą) ir nukreipia žvilgsnį į tai, kas svarbu. Priešingai, dauguma LiDAR naudoja standžius lygiagrečius pluoštus arba nuskaitymus, kurie visur skleidžia vienodą (dažnai grubią) skiriamąją gebą. Detalumo didinimas reiškia vienodą daugiau kanalų pridėjimą, o tai padidina išlaidas, galią ir sudėtingumą.
Komandos dizainas pasiekia „už{0}}tinklainės“ 0,012 laipsnio kampinę skiriamąją gebą ROI-, du kartus ryškesnę nei apytiksliai 0,017 laipsnio akies riba. Tai reiškia, kad sistema gali atskirti taškus, atskirtus mažiausiais kampais, pavyzdžiui, atskirti smulkias detales tolimame kelio ženkle. Jis perskirsto lygiagrečius jutimo kanalus pagal poreikį, išvengdamas brangiai kainuojančio brutalaus{6}}jėgos mastelio.
Phys.org kalbėjosi su tyrimo bendraautoriais Ruixuan Chen ir Xingjun Wang iš Pekino universiteto Elektronikos mokyklos.
„Motyvacija kyla iš praktinio biologinio ir mašininio suvokimo neatitikimo“, – aiškino mokslininkai. „Žmogaus akis pasiekia didelį ryškumą ir energijos vartojimo efektyvumą perskirstydama dėmesį{1}}išlaikydama platų supratimą ir sutelkdama išteklius į tai, kas svarbu. Priešingai, LiDAR skiriamoji geba dažnai pasiekiama naudojant „daugiau kanalų visur“, o tai greitai tampa brangu ir{3}}alkana energijos.
Mastelio keitimo problema
Mašininio matymo sistemos išsiplėtė už tradicinių fotoaparatų ribų, įtraukdamos LiDAR jutiklius, kurie leidžia tiksliai išmatuoti atstumą ir suvokti 3D aplinką. Tačiau skirtingai nei pasyviosios kameros, LiDAR reikalauja kiekvieno pikselio spinduliavimo ir priėmimo aparatinės įrangos, ribojant pasiekiamą skiriamąją gebą.
Dabartiniai LiDAR skiriamosios gebos gerinimo metodai susiduria su kritine kliūtimi. Kanalų dubliavimas suteikia linijinės skiriamosios gebos padidėjimą, tačiau sukelia superlinijinius sudėtingumo, galios ir sąnaudų sprogimus.
"Pirma, skiriamoji geba yra glaudžiai susieta su aparatūros kanalų skaičiumi ir nuskaitymo mechanika. Antra, LiDAR yra aktyvus jutiklis: kiekvienas pikselis efektyviai kainuoja tiek perdavimo, tiek priėmimo išteklius", - aiškino mokslininkai. „Dėl to adaptyvusis fokusavimas yra iš esmės sunkesnis nei pasyvaus vaizdo gavimo atveju, nes turite valdyti optinę galią, imtuvo jautrumą ir skaitmeninimo pralaidumą, laikydamiesi akių-saugos apribojimų.
Dėl koherentinio dažnio{0}}moduliuotos nuolatinės bangos LiDAR šis iššūkis yra ypač aštrus. Kiekvienam nuosekliam kanalui reikalingas stabilus dažnio valdymas, sudėtinga priėmimo įranga ir griežtas kalibravimas. Dėl to masinis kanalų dubliavimas yra daug sunkiau pateisinamas ekonomiškai.
Biomimetinis tirpalas
Tyrėjų sprendimas sujungia dvi pagrindines technologijas. Tai apima judrų išorinį-ertminį lazerį (ECL), kurio derinimo diapazonas didesnis nei 100 nm, ir perkonfigūruojamas elektro-optinio dažnio šukes, sukurtas ant plonos-plėvelės ličio niobato (TFLN) platformų.
ECL teikia aukštos-kokybės FMCW čirpimo signalus, kad būtų galima nustatyti nuoseklų diapazoną, ir veikia kaip bangos ilgio-valdomo pluošto{2}}vairo mechanizmas. Sureguliuodama centrinį bangos ilgį, sistema gali greitai nukreipti žiūrėjimo kryptį plačiame matymo lauke.
Tada elektro-optinės šukos generuoja kelis lygiagrečius FMCW nešiklius iš to paties čirškiamo lazerio šaltinio. Svarbiausia, kad radijo dažnio pavaros sąlygų reguliavimas keičia šukų atstumą.
„Tai yra tai, kas įgalina „didinimą“{0}}galime padidinti taško tankį pasirinktame regione (smulkesnis mėginių ėmimas) arba sušvelninti (šiurkštesnis atranka) nekeisdami optikos ar nepridėdami kanalų“, – pridūrė mokslininkai.
Sistemoje naudojamas tai, ką mokslininkai vadina „mikro{0}}paralelizmu“. Tai reiškia, kad reikia naudoti nedidelį skaičių fizinių kanalų, kad dinamiškai keičiant padėtį būtų pasiekta daug daugiau nuskaitymo linijų.
Eksperimentinis patvirtinimas
Komanda pademonstravo sistemos galimybes pagal tris eksperimentinius scenarijus ir pasiekė 0,012 laipsnio kampinę skiriamąją gebą sufokusuotuose regionuose, viršijančią žmogaus tinklainės vardinę ribą.
Statinio vaizdo vaizdavimo metu sistema užfiksavo imituojamą kelio aplinką 54 x 71 pikselio skiriamąja geba viso -vaizdo-lauko nuskaitymui ir 17 x 71 pikselio skyra vietiniam nuskaitymui. Šie sufokusuoti nuskaitymai padidino vertikalių detalių tankį keturis kartus, atidengdami kliūtis, kurios anksčiau buvo nematomos, o 90 % taškų tikslumas buvo mažesnis nei 1,3 cm.
Tyrėjai taip pat pademonstravo LiDAR{0}}kameros suliejimą, sukurdami spalvotus taškų debesis, kuriuose tiksli 3D geometrija derinama su RGB išvaizdos duomenimis. Lyginant standartinius ir sufokusuotus nuskaitymus, spalvų histogramos lygiavimas pagerėjo maždaug 10 %, o tai rodo geresnę 3D taškų ir vaizdo pikselių atitiktį.
„Sujungę LiDAR su fotoaparatu, sukuriame spalvotus taškinius debesis ir praturtiname scenos vaizdą, o tai pagerina interpretaciją ir palaiko tolesnio suvokimo užduotis, kurios priklauso nuo tekstūros ir semantinių užuominų“, – aiškino mokslininkai.
Turbūt įspūdingiausia, kad komanda realiuoju laiku{0}}4D-plius vaizdus-užfiksavo krepšinio metimą, kuriame kiekvienas taškas vienu metu rodė padėtį, sukimosi greitį, paviršiaus atspindį ir spalvą. 8 Hz dažniu plačiame matymo lauke atskleidė standartiniam 3D LiDAR nematomus judesių modelius.
Eksperimentinis darbas atskleidė svarbius sistemos{0}}lygio kompromisus, kurie informuoja apie ateities plėtros kelius.
„Aiškiausias yra įtampa tarp kampinės skiriamosios gebos ir{0}}kanalo matavimo erdvės“, – pažymėjo mokslininkai. "Mūsų lygiagrečiai nuosekliai nuskaitant kiekvienas kanalas turi užimti savo ne
Komanda nustatė keletą prioritetinių krypčių, kaip tobulinti technologiją link praktinio diegimo. Tai apima gilesnę monolitinę integraciją TFLN platformose, ypač plačiajuosčio ryšio šaltinių kūrimą, siekiant pagerinti diapazono skiriamąją gebą, ir uždaros -kilpos dėmesio politikos įgyvendinimą, skirtą įvykiams-pagrįsti suvokimui.
Dabartiniai eksperimentai, naudojant pluošto jungtis, sukelia poliarizacijos nestabilumą, kuris riboja medžiagų klasifikavimo galimybes.
"Tačiau mes įsivaizduojame, kad monolitinė integracija iš esmės pašalins šią kliūtį", - sakė mokslininkai. „Pereinant nuo nestabilių skaidulų kelių prie ribotų-lustų bangolaidžių, galime pasiekti stabilų poliarizacijos atkūrimą.
Bioninė LiDAR sistema siūlo potencialias programas, apimančias autonomines transporto priemones, oro ir jūrų dronus, robotiką ir neuromorfines regėjimo sistemas. Pasak mokslininkų, ne tik LiDAR, bet ir perkonfigūruojamos šukos leidžia greitai atlikti optinių ryšių spektrinę analizę, koherentinę tomografiją, suspaudimo jutimą ir tikslią metrologiją.
