Într-un studiu recent, cercetătorii din China au dezvoltat un sistem LiDAR la scară de cip{0}}care imită mișcarea ochiului uman prin concentrarea dinamică a detecției de înaltă-rezoluție pe regiunile de interes (ROI), menținând în același timp o conștientizare largă pe întregul câmp vizual.
Studiul este publicat în jurnalComunicarea naturii.
Sistemele LiDAR alimentează viziunea artificială în mașini, drone și roboți care se conduc singure-prin tragerea de fascicule laser pentru a mapa scene 3D cu precizie milimetrică. Ochiul își împachetează cei mai denși senzori în fovee (locul central de vedere ascuțit) și mută privirea către ceea ce este important. Prin contrast, majoritatea LiDAR-urilor folosesc fascicule paralele rigide sau scanări care răspândesc rezoluție uniformă (adesea grosieră) peste tot. Sporirea detaliilor înseamnă adăugarea mai multor canale în mod uniform, ceea ce explodează costurile, puterea și complexitatea.
Designul echipei atinge o rezoluție unghiulară „dincolo de-retiniană” de 0,012 grade în ROI-de două ori mai clară decât limita de aproximativ 0,017 grade a ochiului. Aceasta înseamnă că sistemul poate distinge punctele separate de cele mai mici unghiuri, cum ar fi alegerea detaliilor fine pe un semn rutier îndepărtat. Realocează canalele de detecție paralele la cerere, evitând scalarea costisitoare a forței brute-.
Phys.org a vorbit cu co-autorii studiului, Ruixuan Chen și Xingjun Wang, de la Școala de Electronică a Universității din Peking.
„Motivația provine dintr-o nepotrivire practică între percepția biologică și cea a mașinii”, au explicat cercetătorii. „Ochiul uman atinge o acuitate ridicată și eficiență energetică prin realocarea atenției-menținând o conștientizare largă în timp ce concentrează resursele asupra a ceea ce contează. În schimb, rezoluția LiDAR este adesea urmărită de „mai multe canale peste tot”, care devine rapid costisitoare și consumatoare de energie-”.
Problema de scalare
Sistemele de viziune artificială s-au extins dincolo de camerele tradiționale pentru a include senzori LiDAR, care permit măsurarea precisă a distanței și percepția 3D a mediului. Spre deosebire de camerele pasive, totuși, LiDAR necesită hardware de emisie și recepție pentru fiecare pixel, limitând rezoluția realizabilă.
Abordările actuale pentru îmbunătățirea rezoluției LiDAR se confruntă cu un blocaj critic. Dublarea canalelor oferă câștiguri de rezoluție liniară, dar declanșează explozii superliniare în complexitate, putere și cost.
„În primul rând, rezoluția este strâns legată de numărul de canale hardware și de mecanica de scanare. În al doilea rând, LiDAR este un senzor activ: fiecare pixel costă efectiv atât resursele de transmisie, cât și de recepție”, au explicat cercetătorii. „Aceasta face ca focalizarea adaptivă să fie fundamental mai dificilă decât în imagistica pasivă, deoarece trebuie să gestionați puterea optică, sensibilitatea receptorului și lățimea de bandă de digitalizare în timp ce respectați constrângerile de siguranță-ochiului”.
Pentru LiDAR cu undă continuă cu frecvență-modulată coerentă, această provocare este deosebit de acută. Fiecare canal coerent necesită un control stabil al frecvenței, hardware de recepție sofisticat și o calibrare strictă. Acest lucru face ca duplicarea masivă a canalelor să fie mult mai greu de justificat economic.
O soluție biomimetică
Soluția cercetătorilor combină două tehnologii cheie. Acestea includ un laser cu cavitate-externă (ECL) agil, cu o gamă de reglare de peste 100 nm și piepteni de frecvență electro-optice reconfigurabile, construite pe platforme de niobat de litiu cu film subțire (TFLN).
ECL furnizează semnale de-ciripit FMCW de înaltă calitate pentru o distanță coerentă și acționează ca un mecanism de direcție al fasciculului-controlat cu lungimea de undă-. Prin reglarea lungimii de undă centrală, sistemul își poate redirecționa rapid direcția de vizualizare într-un câmp vizual larg.
Pieptene electro-optic generează apoi mai multe purtători FMCW paraleli din aceeași sursă laser cu ciripit. În mod crucial, ajustarea condițiilor de transmisie a frecvenței radio modifică distanța dintre piepteni.
„Acesta este ceea ce permite „zoom”-putem crește densitatea punctului într-o regiune selectată (eșantionare mai fină) sau o relaxăm (eșantionare mai grosieră) fără a schimba optica sau a adăuga canale”, au adăugat cercetătorii.
Sistemul folosește ceea ce cercetătorii numesc „micro-paralelism”. Aceasta înseamnă utilizarea unui număr moderat de canale fizice pentru a obține echivalentul a mult mai multe linii de scanare prin repoziționare dinamică.
Validare experimentală
Echipa a demonstrat capacitățile sistemului în trei scenarii experimentale, obținând o rezoluție unghiulară de 0,012 grade în regiuni focalizate-depășind limita nominală a retinei umane.
În imaginea statică a scenei, sistemul a capturat un mediu de drum simulat la rezoluții de 54 pe 71 de pixeli pentru scanări cu câmp complet-de-vizionare și 17 pe 71 de pixeli pentru scanări focalizate local. Aceste scanări focalizate au dublat de patru ori densitatea detaliilor verticale, dezvăluind obstacole invizibile anterior, cu 90% din puncte precise sub 1,3 cm.
Cercetătorii au demonstrat, de asemenea, fuziunea camerelor LiDAR-, creând nori de puncte colorați care combină geometria 3D precisă cu datele de aspect RGB. Când se compară scanările standard cu cele focalizate, alinierea histogramei de culoare s-a îmbunătățit cu aproximativ 10%, indicând o corespondență mai bună între punctele 3D și pixelii imaginii.
„Prin fuzionarea LiDAR cu o cameră, generăm nori de puncte colorați și îmbogățim reprezentarea scenei, ceea ce îmbunătățește interpretabilitatea și sprijină sarcinile de percepție din aval care depind de textură și indicii semantici”, au explicat cercetătorii.
Poate cel mai impresionant, echipa a capturat-în timp real 4D-plus imagini-o aruncare de baschet în care fiecare punct a arătat simultan poziția, viteza de rotație, reflectivitatea suprafeței și culoarea. La 8 Hz pe un câmp vizual larg, acest lucru a dezvăluit modele de mișcare invizibile pentru LiDAR 3D standard.
Lucrările experimentale au scos la iveală compromisuri importante-la nivel de sistem care informează viitoarele căi de dezvoltare.
„Cea mai clară este tensiunea dintre rezoluția unghiulară și spațiul de măsurare pe-canal”, au observat cercetătorii. „În citirea noastră paralelă coerentă, fiecare canal trebuie să-și ocupe propria bandă electrică ne-suprapusă. Când reducem rata de repetiție, putem într-adevăr să împingem eșantionarea unghiulară mai fin, dar experimentul arată că aceasta comprimă și lățimea de bandă de citire pe-canal."
Echipa a identificat câteva direcții prioritare pentru avansarea tehnologiei către implementarea practică. Acestea includ integrarea monolitică mai profundă pe platformele TFLN, dezvoltarea surselor de bandă ultra-swept pentru o rezoluție îmbunătățită a intervalului și implementarea politicilor de atenție-în buclă închisă pentru percepția bazată pe evenimente-.
Experimentele curente care utilizează legături de fibre introduc instabilitate de polarizare care limitează capacitățile de clasificare a materialelor.
„Cu toate acestea, ne imaginăm că integrarea monolitică va rezolva în mod fundamental acest blocaj”, au spus cercetătorii. „Prin trecerea de la căi instabile ale fibrei la ghiduri de undă limitate pe-cip, putem obține o recuperare stabilă a polarizării.”
Sistemul bionic LiDAR oferă aplicații potențiale, cuprinzând vehicule autonome, drone aeriene și marine, robotică și sisteme de viziune neuromorfă. Dincolo de LiDAR, pieptenii reconfigurabili permit analiza spectrală rapidă pentru comunicații optice, tomografia de coerență, detecția compresivă și metrologia de precizie, potrivit cercetătorilor.
