Seuratakseen ympäristöä ja navigoidakseen todellisessa maailmassa robotin pitäisi pystyä hankkimaan kuvia ja ympäristömittauksia erilaisissa taustavalaistusolosuhteissa. Viime vuosina tutkijat ja insinöörit ympäri maailmaa ovat pyrkineet kehittämään yhä kehittyneempiä antureita integroitumaan robotteihin, valvontajärjestelmiin tai muihin laitteisiin, jotka aistivat ympäristönsä.
Memes Consultingin mukaan Hongkongin polyteknisen yliopiston, Pekingin yliopiston, Yonsein yliopiston ja Fudanin yliopiston tutkijat ovat äskettäin kehittäneet uudenlaisen bionisen näköanturin, joka käyttää mekanismia, joka simuloi keinotekoisesti verkkokalvon toimintaa ja jota voidaan käyttää erilaisissa datassa, kerättiin kevyissä olosuhteissa. Tämä bioninen näköanturi perustuu molybdeenidisulfidista valmistettuihin fototransistoreihin.
Kuva biomimeettisestä näköanturiryhmästä (vasemmalla); näköanturiyksikön kaavamainen rakenne ja optinen mikroskooppikuva (oikealla)
"Tutkimusryhmämme aloitti optoelektronisen muistin työstämisen viisi vuotta sitten", sanoi Yang Chai, yksi näköanturin kehittäneistä tutkijoista. "Tämä kehittyvä laite voi tuottaa valosta riippuvaisia ja historiasta riippuvaisia signaaleja, mikä mahdollistaa kuvan integroinnin. , Heikko signaalin kertyminen, spektrianalyysi ja muut monimutkaiset kuvankäsittelytoiminnot, tunnistuksen, tietojen tallennuksen ja tietojenkäsittelyn monitoiminnallinen integrointi yhdeksi laitteeksi."
Vuonna 2018 Yang Chai ja hänen kollegansa julkaisivat ensimmäisen optoelektronisen muistin paperin, jossa he esittelivät resistiivisen kytkentämuistilaitteen, joka voi suorittaa valontunnistus- ja logiikkatoimintoja. Vuotta myöhemmin tiimi esitteli uudenlaisen fotorestivisen satunnaisen pääsyn muistin, jossa oli kolme erilaista toimintoa. Erityisesti uusi laite voi tunnistaa ympäristön, tallentaa tiedot muistiin ja suorittaa neuromorfisia visuaalisia esikäsittelytoimintoja.
"Tutkimme lähi- ja anturilaskennan paradigmien käsitteitä vuonna 2020 ja julkaisimme näkemyksemme alalta." Yang Chai jatkoi: "Tämä uusi tutkimus biomimeettisistä näköantureista perustuu meidän on kaikkien aiempien ponnistelujen päälle."
Ympäröivän luonnonvalon voimakkuus vaihtelee suuresti, ja kokonaisalue on 280 dB. Kun ihmisen verkkokalvo havaitsee ulkoisia valosignaaleja, se säätää fotoreseptoriensa (eli sauvojen ja käpyjen) valoherkkyyttä signaalin voimakkuuden mukaan. Tämä antaa viime kädessä ihmissilmälle mahdollisuuden sopeutua vähitellen erilaisiin valaistustasoihin, jolloin se voi nähdä selvästi sekä pimeissä että kirkkaissa ympäristöissä, joita kutsutaan "visuaaliseksi sopeutumiseksi".
"Esimerkiksi, kun astut pimeään elokuvateatteriin kirkkaasta salista, et näe aluksi tuskin mitään, mutta jonkin ajan kuluttua elokuvassa on helpompi nähdä asioita", Yang Chai selittää. "Tätä ilmiötä kutsutaan skootooppiseksi sopeutumiseksi. Päinvastoin, jos siirryt pimeästä elokuvateatterista aurinkoiseen ulkoilmaan, tunnet olosi aluksi hyvin häikäiseväksi, ja kestää jonkin aikaa tottua näkemään, mitä ympärilläsi tapahtuu. Prosessi Tumman sopeutumisen vastakohtaa kutsutaan fotoskooppiseksi sopeutumiseksi."
Yang Chain ja hänen kollegoidensa viimeaikaisen työn päätavoitteena on rakentaa ihmisen verkkokalvon rakenteesta ja toiminnasta inspiroitunut näköanturi. Tätä varten he aloittivat ensin tutkimalla ihmisen verkkokalvoa ja yrittivät sitten suunnitella havaittavia strategioita, joiden avulla he voisivat keinotekoisesti simuloida visuaalisia mukautuksia.
Cmos-tekniikkaan perustuvien uusimpien kuva-antureiden dynaaminen kantama on tyypillisesti rajoitettu 70 dB. Tämä dynaaminen alue on kuitenkin paljon kapeampi kuin luonnollisten kohtausten valaistusalue (280 dB).
"Visuaalisen havainnon saavuttamiseksi monenlaisissa valointensiteeteissä tutkijat ovat tutkineet hallittujen optisten aukkojen, nestemäisten linssien, säädettävien altistumisaikojen ja denoising-algoritmien käyttöä jälkikäsittelyssä", Yang Chai sanoi. "Nämä menetelmät vaativat kuitenkin usein monimutkaisia laitteisto- ja ohjelmistoresursseja."
Biomimeettisten näköanturiryhmien tumma ja kevyt sovitus. a) Tumman sopeutumistestin kaavio: hämäräkuvien tunnistaminen käyttämällä 8 x 8 pikselin matriisia pimeässä ympäristössä. b) Valonsovitustestin kaavio: suuren valaistusvoimakkuuden kuvien tunnistaminen käyttämällä 8 x 8 pikselin matriisia kirkkaassa ympäristössä. c) Tumma sopeutumisprosessi "8"-kuvion tunnistamiseksi. d) valoadaptointiprosessi "8"-kuvion tunnistamiseksi.
Optoelektronisilla laitteilla, joilla on valoa mukautuva näkö ja laaja tunnistusalue aistiterminaaleissa, voi olla erittäin arvokkaita sovelluksia. Ne voivat esimerkiksi auttaa parantamaan tietokonenäkötyökalujen suorituskykyä, vähentämään robottien tai muiden tunnistusjärjestelmien rakentamiseen tarvittavaa laitteiston monimutkaisuutta ja parantamaan kuvantunnistusjärjestelmien tarkkuutta.
Vaikka muut tutkimusryhmät ovat kehittäneet optoelektronisia laitteita, jotka voivat sopeutua erilaisiin valaistusolosuhteisiin aiemmin. Suurin osa aiemmin osoitetuista laitteista voi kuitenkin jäljitellä vain verkkokalvon valon sopeutumismekanismia. Pimeä sopeutumisprosessi on toistaiseksi osoittautunut vaikeammaksi simuloida.
"Verkkokalvon visuaalisen sopeutustoiminnon täydelliseen toistamiseen on vielä pitkä matka", Yang Chai selittää. "Tämän saavuttamiseksi suunnittelimme fototransistor-pohjaisen näköanturin, jossa käytetään erittäin ohuita puolijohteita, jotka voivat Saman laitteen tumman sopeutumisen ja valon sopeutumisastetta ohjattiin käyttämällä erilaisia porttijännitteitä. Tällä tavoin simuloimme fotoreseptoreita ja vaakasuuntaisia soluja verkkokalvossa ja saavutimme onnistuneesti tunnistusalueen 199 dB. Näkö-mukautuvat laitteet biomimeettisissä antureissa."
Verkkokalvon fotoreseptorien ja vaakasuuntaisten solujen keinotekoinen simulointi visuaalista sopeutumista varten (tumma sopeutuminen ja valon sovitus)
Yang Chain ja kollegoiden kehittämä biomimeettinen näköanturi perustuu fototransistoreihin, jotka on valmistettu erittäin ohuesta puolijohdemateriaalista, joka tunnetaan nimellä molybdeenidisulfidi. Heidän käyttämissään fototransistoreissa on useita latauslukkotiloja, jotka voivat vangita tai vapauttaa elektroneja kanavan sisällä eri porttijännitteillä.
Viime kädessä nämä tilat antavat tutkijoille mahdollisuuden virittää dynaamisesti laitteidensa johtavuutta. Tämä puolestaan antoi heille mahdollisuuden simuloida keinotekoisesti ihmisen verkkokalvon tummia ja valoa adaptiivisia mekanismeja, mikä laajensi anturin käsitystä erilaisista valaistusolosuhteista.
"Bionisella näköanturillamme on useita etuja ja ominaisuuksia", Yang Chai sanoi. "Ensinnäkin visuaalinen sopeutumistoiminto toteutetaan yhdessä laitteessa, mikä pienentää huomattavasti jalanjälkeä. Toiseksi yhdellä laitteella voidaan toteuttaa useita toimintoja. , mukaan lukien valon tunnistus, muisti ja käsittely. Lopuksi, tumma ja vaalea sopeutuminen eri valointensiteeteillä voidaan saavuttaa säätämällä sen porttijännitettä."
Yang Chai ja hänen kollegansa arvioivat bionisen näköanturin useissa testeissä ja havaitsivat, että se voisi tehokkaasti jäljitellä ihmisen verkkokalvon toimintaa ja saavuttaa merkittäviä tuloksia sekä pimeässä että vaaleassa sopeutumisessa. Lisäksi sillä on huomattavasti suurempi havaintoalue (199 dB) kuin aiemmin ehdotetuilla ratkaisuilla.
"Näköanturimme voi rikastuttaa konenäkötoimintoja, vähentää laitteiston monimutkaisuutta ja saavuttaa korkean kuvantunnistustehokkuuden", Yang Chai sanoi, "Kaikki nämä edut ovat käytettävissä esimerkiksi autonomisen ajamisen, kasvojentunnistuksen ja teollisen valmistuksen aloilla monimutkaisissa valaistusympäristöissä. hyvät sovellusnäkymät."
Tulevissa tutkimuksissa tutkijat aikovat edelleen parantaa näköanturin suorituskykyä ja käyttää sitä myös anturiryhmistä koostuvien laajamittaisten järjestelmien valmistukseen. Ihannetapauksessa he haluavat rakentaa tämän anturiryhmän joustavalle tai puolipallomaiselle alustalle laajemman näkökentän mahdollistamiseksi.
"Yksi parannusta kaipaava alue on näköanturimme sopeutumisaika, koska se ei vieläkään riitä tukemaan konenäkösovelluksia." Yang Chai lisäsi: "Tavoitteenamme on lyhentää sopeutumisaika mikrosekunnin tasolle. Lisäksi näköanturin matriisiasteikkoa tarvitaan myös lisäparannuksia. Lähiajan matriisikokotavoitteemme on yli 100 x 100 pikseliä. Lopuksi näköantureiden ja jälkikäsittelyyksiköiden, mukaan lukien piipohjaiset ohjauspiirit, heterogeeninen integrointi on erittäin tärkeä askel kohti käytännön sovelluksia."
GMKJ Technology on syvästi sitoutunut terveisiin ja älykkäisiin valonlähteisiin, tarjoten markkinoille täyden valikoiman UVA UVB UVC LED-, infrapuna-IR LED VCSEL -tuotteita ja ratkaisuja. Sillä on satoja laadukkaita kumppaneita kotimaisilla ja ulkomaisilla markkinoilla, jotka yhdessä edistävät kevyen teknologian käyttöä terveellisen ja älykkään elämän luomiseksi. .
