V nedávnej štúdii výskumníci z Číny vyvinuli čipový{0}}systém LiDAR, ktorý napodobňuje foveáciu ľudského oka dynamickou koncentráciou-snímania s vysokým rozlíšením na oblasti záujmu (ROI), pričom zachováva široké povedomie v celom zornom poli.
Štúdia je publikovaná v časopisePrírodné komunikácie.
Systémy LiDAR poháňajú strojové videnie v autonómnych{0}}autách, dronoch a robotoch vystreľovaním laserových lúčov na mapovanie 3D scén s milimetrovou presnosťou. Oko umiestňuje svoje najhustejšie senzory do fovey (ostrý centrálny bod videnia) a presúva pohľad na to, čo je dôležité. Naproti tomu väčšina LiDARov používa tuhé paralelné lúče alebo skeny, ktoré všade šíria jednotné (často hrubé) rozlíšenie. Zvýšenie detailov znamená rovnomerné pridávanie ďalších kanálov, čo výrazne zvyšuje náklady, výkon a zložitosť.
Dizajn tímu dosahuje uhlové rozlíšenie „za-sietnicou“ 0,012 stupňa v oblasti ROI-dvakrát ostrejšie, než je približný limit oka 0,017 stupňa. To znamená, že systém dokáže rozlíšiť body oddelené najmenšími uhlami, napríklad rozoznať jemné detaily na vzdialenej dopravnej značke. Na požiadanie prerozdeľuje paralelné snímacie kanály, čím sa vyhne nákladnému-rozširovaniu hrubej sily.
Phys.org sa rozprával so spoluautormi- štúdie Ruixuanom Chenom a Xingjunom Wangom z Pekingskej univerzity School of Electronics.
„Motivácia pochádza z praktického nesúladu medzi biologickým a strojovým vnímaním,“ vysvetlili vedci. „Ľudské oko dosahuje vysokú ostrosť a energetickú účinnosť prerozdelením pozornosti-pri zachovaní širokého povedomia a zároveň sústredením zdrojov na to, na čom záleží. Naopak, rozlíšenie LiDAR je často využívané „viac kanálmi všade“, čo sa rýchlo stáva drahým a-hladným po energii.“
Problém škálovania
Systémy strojového videnia sa rozšírili nad rámec tradičných kamier o snímače LiDAR, ktoré umožňujú presné meranie vzdialenosti a 3D vnímanie prostredia. Na rozdiel od pasívnych kamier však LiDAR vyžaduje hardvér pre vysielanie a príjem pre každý pixel, čím sa obmedzuje dosiahnuteľné rozlíšenie.
Súčasné prístupy k zlepšeniu rozlíšenia LiDAR čelia kritickému prekážke. Duplikácia kanálov prináša zisky lineárneho rozlíšenia, ale spúšťa superlineárne explózie v zložitosti, sile a nákladoch.
"Po prvé, rozlíšenie je úzko späté s počtom hardvérových kanálov a mechanikou skenovania. Po druhé, LiDAR je aktívny senzor: každý pixel efektívne stojí zdroje vysielania aj prijímania," vysvetlili vedci. „To robí adaptívne zaostrovanie podstatne ťažšie ako pri pasívnom zobrazovaní, pretože musíte riadiť optický výkon, citlivosť prijímača a šírku pásma digitalizácie a zároveň spĺňať bezpečnostné-obmedzenia zraku.“
Pre koherentnú frekvenčnú-modulovanú spojitú vlnu LiDAR je táto výzva obzvlášť akútna. Každý koherentný kanál vyžaduje stabilnú kontrolu frekvencie, sofistikovaný hardvér príjmu a prísnu kalibráciu. Toto robí masívne zdvojenie kanálov oveľa ťažšie ekonomicky ospravedlniteľné.
Biomimetický roztok
Riešenie výskumníkov spája dve kľúčové technológie. Patrí medzi ne agilný externý-dutinový laser (ECL) s rozsahom ladenia viac ako 100 nm a rekonfigurovateľné elektro-optické frekvenčné hrebene postavené na platformách tenkých{4}}lítium-niobátu (TFLN).
ECL poskytuje vysokokvalitné -kvalitné signály FMCW cvrlikání pre koherentné určovanie rozsahu a funguje ako mechanizmus riadenia-riadeného lúča- vlnovej dĺžky. Vyladením strednej vlnovej dĺžky môže systém rýchlo presmerovať svoj smer pohľadu v širokom zornom poli.
Elektro-optický hrebeň potom generuje viacero paralelných FMCW nosičov z rovnakého zdroja lasera. Rozhodujúce je, že úprava podmienok vysokofrekvenčného pohonu mení rozstup hrebeňov.
„Toto umožňuje „zoom“-, môžeme zvýšiť hustotu bodov vo vybranej oblasti (jemnejšie vzorkovanie) alebo ju uvoľniť (hrubšie vzorkovanie) bez zmeny optiky alebo pridávania kanálov,“ dodali vedci.
Systém využíva to, čo vedci nazývajú „mikro{0}}paralelizmus“. To znamená použitie mierneho počtu fyzických kanálov na dosiahnutie ekvivalentu oveľa väčšieho počtu skenovacích riadkov prostredníctvom dynamického premiestňovania.
Experimentálna validácia
Tím demonštroval schopnosti systému v troch experimentálnych scenároch a dosiahol uhlové rozlíšenie 0,012 stupňa v zaostrených oblastiach-prekračujúcich nominálny limit ľudskej sietnice.
Pri statickom zobrazovaní scény systém zachytil simulované prostredie na ceste s rozlíšením 54 x 71 pixelov pre skenovanie v celom --zornom poli a 17 x 71 pixelov pre skenovanie lokálne zamerané. Tieto zaostrené skeny zoštvornásobili vertikálnu hustotu detailov a odhalili predtým neviditeľné prekážky s presnosťou 90 % bodov pod 1,3 cm.
Výskumníci tiež demonštrovali fúziu kamier LiDAR{0}}, čím sa vytvorili farebné mračná bodov, ktoré kombinujú presnú 3D geometriu s údajmi o vzhľade RGB. Pri porovnaní štandardných a zaostrených skenov sa zarovnanie farebného histogramu zlepšilo približne o 10 %, čo naznačuje lepšiu zhodu medzi 3D bodmi a obrazovými pixelmi.
"Spojením LiDAR s kamerou vytvárame farebné oblaky bodov a obohacujeme reprezentáciu scény, čo zlepšuje interpretovateľnosť a podporuje následné úlohy vnímania, ktoré závisia od textúry a sémantických podnetov," vysvetlili vedci.
Snáď najpôsobivejšie je, že tím zachytil v reálnom čase-4D-plus zobrazovanie-ho basketbalového hodu, kde každý bod súčasne ukazoval polohu, rýchlosť otáčania, odrazivosť povrchu a farbu. Pri 8 Hz v širokom zornom poli to odhalilo pohybové vzory neviditeľné pre štandardný 3D LiDAR.
Experimentálna práca odhalila dôležité kompromisy-na úrovni systému, ktoré určujú budúce cesty vývoja.
„Najjasnejšie je napätie medzi uhlovým rozlíšením a{0}}priestorom merania na kanál,“ poznamenali výskumníci. "V našom paralelnom koherentnom odčítaní musí každý kanál zaberať svoje vlastné -prekrývajúce sa elektrické pásmo. Keď znížime frekvenciu opakovania, môžeme skutočne spresniť uhlové vzorkovanie, ale experiment ukazuje, že sa tým stlačí aj šírka pásma odčítania na kanál."
Tím identifikoval niekoľko prioritných smerov pre pokrok technológie smerom k praktickému nasadeniu. Patrí medzi ne hlbšia monolitická integrácia na platformách TFLN, vývoj ultra-širokopásmových prenosných zdrojov pre lepšie rozlíšenie dosahu a implementácia uzavretých-pravidiel pozornosti pre vnímanie-udalostí.
Súčasné experimenty využívajúce vláknové spoje zavádzajú polarizačnú nestabilitu, ktorá obmedzuje možnosti klasifikácie materiálov.
„Predpokladáme však, že monolitická integrácia zásadne vyrieši túto prekážku,“ uviedli vedci. „Prechodom z nestabilných dráh vlákien k vlnovodom s obmedzeným-čipom môžeme dosiahnuť stabilné obnovenie polarizácie.“
Bionický systém LiDAR ponúka potenciálne aplikácie zahŕňajúce autonómne vozidlá, letecké a námorné drony, robotiku a neuromorfné systémy videnia. Okrem LiDAR umožňujú rekonfigurovateľné hrebene rýchlu spektrálnu analýzu pre optickú komunikáciu, koherenčnú tomografiu, kompresné snímanie a presnú metrológiu, podľa výskumníkov.
