ในการศึกษาเมื่อเร็วๆ นี้ นักวิจัยจากประเทศจีนได้พัฒนาระบบ LiDAR ระดับชิป-ที่เลียนแบบการมองของดวงตามนุษย์โดยการตรวจจับความละเอียดสูง-ที่มุ่งเน้นแบบไดนามิกบนภูมิภาคที่สนใจ (ROI) ขณะเดียวกันก็รักษาการรับรู้ที่กว้างในขอบเขตการมองเห็นทั้งหมด
การศึกษานี้ตีพิมพ์ในวารสารการสื่อสารธรรมชาติ.
ระบบ LiDAR ขับเคลื่อนวิชันซิสเต็มในรถยนต์ โดรน และหุ่นยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยตนเอง- โดยการยิงลำแสงเลเซอร์เพื่อสร้างแผนที่ฉาก 3 มิติด้วยความแม่นยำระดับมิลลิเมตร ดวงตาบรรจุเซ็นเซอร์ที่หนาแน่นที่สุดในรอยบุ๋ม (จุดมองเห็นส่วนกลางที่คมชัด) และเปลี่ยนการจ้องมองไปยังสิ่งที่สำคัญ ในทางตรงกันข้าม LiDAR ส่วนใหญ่ใช้ลำแสงคู่ขนานที่แข็งแกร่งหรือการสแกนที่กระจายความละเอียดที่สม่ำเสมอ (มักจะหยาบ) ไปทุกที่ การเพิ่มรายละเอียดหมายถึงการเพิ่มช่องทางต่างๆ อย่างสม่ำเสมอ ซึ่งจะทำให้ต้นทุน พลัง และความซับซ้อนเพิ่มมากขึ้น
การออกแบบของทีมได้รับความละเอียดเชิงมุม "เกิน-จอประสาทตา" ที่ 0.012 องศาใน ROI -คมชัดเป็นสองเท่าของขีดจำกัดตาประมาณ 0.017 องศา ซึ่งหมายความว่าระบบสามารถแยกแยะจุดที่คั่นด้วยมุมที่เล็กที่สุดได้ เช่น การเลือกรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ บนป้ายถนนที่อยู่ห่างไกล โดยจะจัดสรรช่องการตรวจจับแบบขนานใหม่ตามความต้องการ หลีกเลี่ยงการปรับขนาดที่โหดเหี้ยม-
Phys.org ได้พูดคุยกับ-ผู้เขียนร่วมของการวิจัย Ruixuan Chen และ Xingjun Wang จาก School of Electronics ของมหาวิทยาลัยปักกิ่ง
“แรงจูงใจมาจากความไม่ตรงกันในทางปฏิบัติระหว่างการรับรู้ทางชีวภาพและการรับรู้ของเครื่องจักร” นักวิจัยอธิบาย "สายตามนุษย์บรรลุความเฉียบแหลมและประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงโดยการจัดสรรความสนใจใหม่-โดยรักษาการรับรู้ในวงกว้างในขณะที่มุ่งความสนใจไปที่ทรัพยากรไปยังสิ่งที่สำคัญ ในทางตรงกันข้าม ความละเอียดของ LiDAR มักจะถูกติดตามโดย 'ช่องทางเพิ่มเติมทุกที่' ซึ่งมีราคาแพงอย่างรวดเร็วและ-หิวโหย"
ปัญหาการปรับขนาด
ระบบวิชันซิสเต็มได้ขยายไปไกลกว่ากล้องทั่วไปโดยรวมถึงเซ็นเซอร์ LiDAR ซึ่งช่วยให้สามารถวัดระยะทางได้อย่างแม่นยำและรับรู้สภาพแวดล้อมแบบ 3 มิติ อย่างไรก็ตาม LiDAR ต่างจากกล้องพาสซีฟตรงที่ต้องใช้ฮาร์ดแวร์การปล่อยและการรับสำหรับทุกพิกเซล โดยจำกัดความละเอียดที่ทำได้
แนวทางปัจจุบันในการปรับปรุงความละเอียดของ LiDAR เผชิญกับปัญหาคอขวดที่สำคัญ การทำสำเนาช่องสัญญาณทำให้ได้รับความละเอียดเชิงเส้นเพิ่มขึ้น แต่ทำให้เกิดการระเบิดแบบซุปเปอร์ลิเนียร์ในด้านความซับซ้อน พลังงาน และต้นทุน
"ประการแรก ความละเอียดจะเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับจำนวนช่องสัญญาณฮาร์ดแวร์และกลไกการสแกน ประการที่สอง LiDAR เป็นเซ็นเซอร์ที่ทำงานอยู่ โดยทุกพิกเซลจะมีต้นทุนทั้งการส่งและรับทรัพยากรอย่างมีประสิทธิภาพ" นักวิจัยอธิบาย "นั่นทำให้การโฟกัสแบบปรับได้โดยพื้นฐานยากกว่าการถ่ายภาพแบบพาสซีฟ เนื่องจากคุณต้องจัดการพลังงานแสง ความไวของตัวรับสัญญาณ และแบนด์วิธในการแปลงข้อมูลดิจิทัล ขณะเดียวกันก็พบกับ-ข้อจำกัดด้านความปลอดภัยของสายตา"
สำหรับ LiDAR คลื่นต่อเนื่องแบบมอดูเลตความถี่ที่สอดคล้องกัน ความท้าทายนี้จะรุนแรงเป็นพิเศษ แต่ละช่องสัญญาณที่สอดคล้องกันต้องมีการควบคุมความถี่ที่เสถียร ฮาร์ดแวร์การรับสัญญาณที่ซับซ้อน และการสอบเทียบที่เข้มงวด สิ่งนี้ทำให้การทำสำเนาช่องสัญญาณขนาดใหญ่ทำได้ยากขึ้นมากในการพิสูจน์เหตุผลทางเศรษฐกิจ
โซลูชั่นการเลียนแบบทางชีวภาพ
โซลูชันของนักวิจัยผสมผสานเทคโนโลยีหลักสองประการเข้าด้วยกัน ซึ่งรวมถึง-cavity laser (ECL) ภายนอกที่คล่องตัวซึ่งมีช่วงการปรับแต่งมากกว่า 100 นาโนเมตร และหวีความถี่ออปติกไฟฟ้า-ที่กำหนดค่าใหม่ได้ซึ่งสร้างขึ้นบนแพลตฟอร์ม-ฟิล์มลิเธียมไนโอเบต (TFLN) แบบบาง
ECL ให้-สัญญาณเสียง FMCW คุณภาพสูงสำหรับช่วงที่สอดคล้องกัน และทำหน้าที่เป็นกลไกการบังคับทิศทาง-ลำแสงควบคุม{2}}ความยาวคลื่น ด้วยการปรับความยาวคลื่นตรงกลาง ระบบสามารถเปลี่ยนทิศทางการรับชมอย่างรวดเร็วภายในขอบเขตการมองเห็นที่กว้าง
จากนั้นหวีออปติกไฟฟ้า-จะสร้างพาหะ FMCW แบบขนานหลายตัวจากแหล่งกำเนิดเลเซอร์เสียงเจี๊ยบเดียวกัน การปรับเงื่อนไขของไดรฟ์ความถี่วิทยุจะเปลี่ยนระยะห่างของหวี
"นี่คือสิ่งที่ทำให้สามารถ "ซูม" ได้- เราสามารถเพิ่มความหนาแน่นของจุดในภูมิภาคที่เลือก (การสุ่มตัวอย่างที่ละเอียดยิ่งขึ้น) หรือผ่อนคลาย (การสุ่มตัวอย่างที่หยาบขึ้น) โดยไม่ต้องเปลี่ยนเลนส์หรือเพิ่มช่องสัญญาณ" นักวิจัยกล่าวเสริม
ระบบใช้สิ่งที่นักวิจัยเรียกว่า "ความเท่าเทียมระดับไมโคร-" ซึ่งหมายความว่าการใช้ช่องทางทางกายภาพจำนวนปานกลางเพื่อให้ได้เทียบเท่ากับเส้นสแกนที่มากขึ้นผ่านการเปลี่ยนตำแหน่งแบบไดนามิก
การตรวจสอบการทดลอง
ทีมงานได้สาธิตความสามารถของระบบในสถานการณ์ทดลอง 3 สถานการณ์ โดยได้ความละเอียดเชิงมุม 0.012 องศาในพื้นที่โฟกัส- ซึ่งเกินกว่าขีดจำกัดที่ระบุของเรตินาของมนุษย์
ในการถ่ายภาพฉากแบบคงที่ ระบบจะบันทึกสภาพแวดล้อมถนนจำลองที่ความละเอียด 54 x 71 พิกเซลสำหรับการสแกนแบบเต็มฟิลด์-ของ- และ 17 x 71 พิกเซลสำหรับการสแกนแบบเน้นเฉพาะจุด การสแกนแบบโฟกัสเหล่านี้เพิ่มความหนาแน่นของรายละเอียดในแนวตั้งเป็นสี่เท่า ซึ่งเผยให้เห็นสิ่งกีดขวางที่เคยมองไม่เห็น โดย 90% ของจุดมีความแม่นยำไม่เกิน 1.3 ซม.
นักวิจัยยังได้สาธิตการผสมผสานกล้อง LiDAR- โดยสร้างพอยต์คลาวด์ที่มีสีซึ่งผสมผสานเรขาคณิต 3 มิติที่แม่นยำเข้ากับข้อมูลลักษณะ RGB เมื่อเปรียบเทียบการสแกนแบบมาตรฐานกับการสแกนแบบโฟกัส การจัดแนวฮิสโตแกรมสีดีขึ้นประมาณ 10% ซึ่งบ่งชี้ความสอดคล้องที่ดีขึ้นระหว่างจุด 3D และพิกเซลของภาพ
"ด้วยการผสมผสาน LiDAR เข้ากับกล้อง เราจึงสร้างเมฆจุดที่มีสีและเพิ่มคุณค่าให้กับการแสดงฉาก ซึ่งปรับปรุงความสามารถในการตีความและสนับสนุนงานการรับรู้ดาวน์สตรีมที่ขึ้นอยู่กับพื้นผิวและสัญญาณความหมาย" นักวิจัยอธิบาย
บางทีสิ่งที่น่าประทับใจที่สุดก็คือ ทีมงานบันทึก-ภาพ 4 มิติแบบเรียลไทม์-บวกกับภาพ-การโยนบาสเก็ตบอล โดยแต่ละจุดแสดงตำแหน่ง ความเร็วการหมุน การสะท้อนของพื้นผิว และสีไปพร้อมๆ กัน ที่ 8 Hz ในขอบเขตการมองเห็นที่กว้าง สิ่งนี้เผยให้เห็นรูปแบบการเคลื่อนไหวที่มองไม่เห็นใน 3D LiDAR มาตรฐาน
งานทดลองเผยให้เห็นข้อดีข้อเสียระดับของระบบ-ที่สำคัญซึ่งแจ้งเส้นทางการพัฒนาในอนาคต
"สิ่งที่ชัดเจนที่สุดคือความตึงเครียดระหว่างความละเอียดเชิงมุมและช่องว่างในการวัดต่อ-" นักวิจัยตั้งข้อสังเกต "ในการอ่านค่าที่สอดคล้องกันแบบขนานของเรา แต่ละช่องสัญญาณจะต้องมีแถบความถี่ไฟฟ้าที่ไม่-ทับซ้อนกัน เมื่อเราลดอัตราการเกิดซ้ำ เราก็สามารถผลักดันการสุ่มตัวอย่างเชิงมุมให้ละเอียดยิ่งขึ้นได้ แต่การทดลองแสดงให้เห็นว่าสิ่งนี้ยังบีบอัดแบนด์วิธการอ่านค่าต่อ-ช่องด้วย"
ทีมงานระบุทิศทางสำคัญหลายประการสำหรับการพัฒนาเทคโนโลยีไปสู่การใช้งานจริง สิ่งเหล่านี้รวมถึงการบูรณาการแบบเสาหินที่ลึกยิ่งขึ้นบนแพลตฟอร์ม TFLN การพัฒนาแหล่งข้อมูลแบบวงกว้างพิเศษ-เพื่อความละเอียดช่วงที่ดีขึ้น และการนำ-นโยบายความสนใจแบบลูปปิดสำหรับการรับรู้ที่ขับเคลื่อนด้วยเหตุการณ์-
การทดลองในปัจจุบันโดยใช้การเชื่อมโยงแบบไฟเบอร์ทำให้เกิดความไม่เสถียรของโพลาไรเซชันที่จำกัดความสามารถในการจำแนกประเภทวัสดุ
“อย่างไรก็ตาม เรามองเห็นว่าการบูรณาการแบบเสาหินจะช่วยแก้ปัญหาคอขวดนี้โดยพื้นฐาน” นักวิจัยกล่าว "ด้วยการเปลี่ยนจากเส้นทางไฟเบอร์ที่ไม่เสถียรไปเป็นแบบจำกัดบน-ท่อนำคลื่นของชิป เราจึงสามารถกู้คืนโพลาไรเซชันได้อย่างเสถียร"
ระบบ Bionic LiDAR นำเสนอการใช้งานที่มีศักยภาพครอบคลุมยานพาหนะขับเคลื่อนอัตโนมัติ โดรนทางอากาศและทางทะเล หุ่นยนต์ และระบบการมองเห็นนิวโรมอร์ฟิก นอกเหนือจาก LiDAR แล้ว หวีที่กำหนดค่าใหม่ได้ยังช่วยให้วิเคราะห์สเปกตรัมได้อย่างรวดเร็วสำหรับการสื่อสารด้วยแสง เอกซเรย์เชื่อมโยง การตรวจจับแรงอัด และมาตรวิทยาที่มีความแม่นยำ ตามที่นักวิจัยระบุ
