Dalam kajian baru-baru ini, penyelidik dari China telah membangunkan sistem LiDAR berskala -cip yang meniru foveation mata manusia dengan menumpukan penderiaan resolusi tinggi- tinggi secara dinamik pada kawasan yang diminati (ROI) sambil mengekalkan kesedaran luas merentas bidang pandangan penuh.
Kajian itu diterbitkan dalam jurnalKomunikasi Alam Semula Jadi.
Sistem LiDAR menguasakan penglihatan mesin dalam-memandu sendiri kereta, dron dan robot dengan menembak pancaran laser untuk memetakan pemandangan 3D dengan ketepatan milimeter. Mata mengemas penderianya yang paling padat di fovea (tempat penglihatan pusat yang tajam) dan mengalihkan pandangan kepada perkara yang penting. Sebaliknya, kebanyakan LiDAR menggunakan rasuk selari tegar atau imbasan yang menyebarkan resolusi seragam (selalunya kasar) di mana-mana. Meningkatkan perincian bermakna menambah lebih banyak saluran secara seragam, yang meledakkan kos, kuasa dan kerumitan.
Reka bentuk pasukan mencapai resolusi sudut "melampaui-retinal" sebanyak 0.012 darjah dalam ROI-dua kali lebih tajam daripada had anggaran 0.017 darjah mata. Ini bermakna sistem boleh membezakan titik yang dipisahkan oleh sudut terkecil, seperti memilih butiran halus pada papan tanda jalan yang jauh. Ia memperuntukkan semula saluran penderiaan selari atas permintaan, mengelakkan penskalaan paksaan-yang mahal.
Phys.org bercakap dengan pengarang bersama-kajian itu, Ruixuan Chen dan Xingjun Wang, dari Sekolah Elektronik Universiti Peking.
"Motivasi datang dari ketidakpadanan praktikal antara persepsi biologi dan mesin, " jelas para penyelidik. "Mata manusia mencapai ketajaman dan kecekapan tenaga yang tinggi dengan mengagihkan semula perhatian-mengekalkan kesedaran luas sambil menumpukan sumber pada perkara yang penting. Sebaliknya, resolusi LiDAR sering diusahakan oleh 'lebih banyak saluran di mana-mana,' yang dengan cepat menjadi mahal dan kuasa-lapar."
Masalah penskalaan
Sistem penglihatan mesin telah berkembang melangkaui kamera tradisional untuk memasukkan penderia LiDAR, yang membolehkan pengukuran jarak yang tepat dan persepsi alam sekitar 3D. Tidak seperti kamera pasif, bagaimanapun, LiDAR menuntut perkakasan pelepasan dan penerimaan untuk setiap piksel, mengehadkan resolusi yang boleh dicapai.
Pendekatan semasa untuk meningkatkan resolusi LiDAR menghadapi kesesakan yang kritikal. Penduaan saluran memberikan keuntungan resolusi linear tetapi mencetuskan letupan superlinear dalam kerumitan, kuasa dan kos.
"Pertama, resolusi digandingkan rapat dengan pengiraan saluran perkakasan dan mekanik pengimbasan. Kedua, LiDAR ialah penderia aktif: setiap piksel berkesan menelan kos penghantaran dan penerimaan sumber," jelas para penyelidik. "Itu menjadikan pemfokusan adaptif pada asasnya lebih sukar daripada pengimejan pasif, kerana anda mesti mengurus kuasa optik, kepekaan penerima dan lebar jalur pendigitalan sambil memenuhi kekangan keselamatan-mata."
Untuk frekuensi koheren-gelombang berterusan termodulat LiDAR, cabaran ini amat akut. Setiap saluran yang koheren memerlukan kawalan frekuensi yang stabil, perkakasan penerimaan yang canggih dan penentukuran yang ketat. Ini menjadikan pertindihan saluran besar-besaran jauh lebih sukar untuk dibenarkan secara ekonomi.
Penyelesaian biomimetik
Penyelesaian penyelidik menggabungkan dua teknologi utama. Ini termasuk-laser rongga (ECL) luaran yang tangkas dengan julat penalaan lebih 100 nm dan sikat frekuensi optik-elektro boleh dikonfigurasikan semula dibina pada-platform litium niobate (TFLN) nipis.
ECL menyediakan-isyarat kicauan FMCW berkualiti tinggi untuk julat koheren dan bertindak sebagai mekanisme pemanduan-pancaran terkawal-panjang gelombang. Dengan menala panjang gelombang tengah, sistem boleh mengalihkan arah tontonannya dengan pantas dalam bidang pandangan yang luas.
Sikat elektro-optik kemudian menjana berbilang pembawa FMCW selari daripada sumber laser berkicau yang sama. Yang penting, melaraskan keadaan pemacu frekuensi radio mengubah jarak sikat.
"Inilah yang membolehkan 'zum'-kita boleh meningkatkan ketumpatan titik dalam kawasan terpilih (persampelan lebih halus) atau melonggarkannya (persampelan lebih kasar) tanpa menukar optik atau menambah saluran," tambah penyelidik.
Sistem ini menggunakan apa yang dipanggil oleh penyelidik "mikro-paralelisme." Ini bermakna menggunakan bilangan saluran fizikal yang sederhana untuk mencapai setara dengan lebih banyak baris pengimbasan melalui kedudukan semula dinamik.
Pengesahan eksperimen
Pasukan ini menunjukkan keupayaan sistem merentas tiga senario percubaan, mencapai resolusi sudut 0.012 darjah dalam kawasan fokus-melepasi had nominal retina manusia.
Dalam pengimejan pemandangan statik, sistem menangkap persekitaran jalan yang disimulasikan pada resolusi 54 kali 71 piksel untuk medan penuh-bagi-imbasan paparan dan 17 kali 71 piksel untuk imbasan terfokus setempat. Imbasan terfokus ini menggandakan ketumpatan butiran menegak, mendedahkan halangan yang sebelum ini tidak kelihatan, dengan 90% mata tepat di bawah 1.3 cm.
Para penyelidik juga menunjukkan gabungan kamera LiDAR-, mencipta awan titik berwarna yang menggabungkan geometri 3D yang tepat dengan data penampilan RGB. Apabila membandingkan standard berbanding imbasan terfokus, penjajaran histogram warna bertambah baik sebanyak kira-kira 10%, menunjukkan koresponden yang lebih baik antara titik 3D dan piksel imej.
"Dengan menggabungkan LiDAR dengan kamera, kami menjana awan titik berwarna dan memperkayakan perwakilan pemandangan, yang meningkatkan kebolehtafsiran dan menyokong tugas persepsi hiliran yang bergantung pada tekstur dan isyarat semantik," jelas para penyelidik.
Mungkin yang paling mengagumkan, pasukan itu menangkap-masa sebenar 4D-tambah pengimejan-lambungan bola keranjang di mana setiap titik menunjukkan kedudukan, halaju putaran, pemantulan permukaan dan warna secara serentak. Pada 8 Hz merentasi bidang pandangan yang luas, ini menunjukkan corak gerakan yang tidak dapat dilihat oleh LiDAR 3D standard.
Kerja percubaan mendedahkan pertukaran-sistem penting yang memaklumkan laluan pembangunan masa hadapan.
"Yang paling jelas ialah ketegangan antara resolusi sudut dan setiap-ruang besar ukuran saluran," kata penyelidik. "Dalam pembacaan koheren selari kami, setiap saluran mesti menduduki jalur elektrik tidak-bertindih sendiri. Apabila kami mengurangkan kadar ulangan, kami sememangnya boleh menolak pensampelan sudut dengan lebih halus, tetapi percubaan menunjukkan bahawa ini juga memampatkan lebar jalur bacaan setiap-saluran."
Pasukan itu mengenal pasti beberapa arahan keutamaan untuk memajukan teknologi ke arah penggunaan praktikal. Ini termasuk penyepaduan monolitik yang lebih mendalam pada platform TFLN, pembangunan sumber ultra-lebar jalur lebar untuk resolusi julat yang dipertingkatkan dan pelaksanaan dasar perhatian-gelung tertutup untuk persepsi terdorong peristiwa-.
Percubaan semasa menggunakan pautan gentian memperkenalkan ketidakstabilan polarisasi yang mengehadkan keupayaan pengelasan bahan.
"Walau bagaimanapun, kami membayangkan bahawa integrasi monolitik pada asasnya akan menyelesaikan kesesakan ini, " kata para penyelidik. "Dengan beralih daripada laluan gentian tidak stabil kepada terhad pada-pandu gelombang cip, kami boleh mencapai pemulihan polarisasi yang stabil."
Sistem LiDAR bionik menawarkan aplikasi berpotensi merangkumi kenderaan autonomi, dron udara dan marin, robotik dan sistem penglihatan neuromorfik. Di luar LiDAR, sikat boleh dikonfigurasikan semula membolehkan analisis spektrum pantas untuk komunikasi optik, tomografi koheren, penderiaan mampatan, dan metrologi ketepatan, menurut penyelidik.
