I en fersk studie har forskere fra Kina utviklet et chip-skala LiDAR-system som etterligner det menneskelige øyets bevegelse ved dynamisk å konsentrere høy-føling på områder av interesse (ROIs) samtidig som den opprettholder bred bevissthet over hele synsfeltet.
Studien er publisert i tidsskriftetNaturkommunikasjon.
LiDAR-systemer driver maskinsyn i selvkjørende-biler, droner og roboter ved å avfyre laserstråler for å kartlegge 3D-scener med millimeterpresisjon. Øyet pakker sine tetteste sensorer i fovea (skarp sentral synsflekk) og skifter blikk til det som er viktig. Derimot bruker de fleste LiDAR-er stive parallelle stråler eller skanninger som sprer jevn (ofte grov) oppløsning overalt. Å øke detaljer betyr å legge til flere kanaler jevnt, noe som eksploderer kostnader, kraft og kompleksitet.
Teamets design oppnår en vinkeloppløsning på 0,012 grader over-netthinnen i ROI-dobbelt så skarpe som øyets omtrentlige grense på 0,017 grader. Dette betyr at systemet kan skille punkter adskilt av de minste vinklene, som å plukke ut fine detaljer på et fjernt veiskilt. Den omallokerer parallelle registreringskanaler på forespørsel, og unngår kostbar brute-kraftskalering.
Phys.org snakket med studiens-medforfattere, Ruixuan Chen og Xingjun Wang, fra Peking University's School of Electronics.
"Motivasjonen kommer fra et praktisk misforhold mellom biologisk og maskinell persepsjon," forklarte forskerne. "Det menneskelige øye oppnår høy skarphet og energieffektivitet ved å omfordele oppmerksomhet-ved å opprettholde bred bevissthet samtidig som ressursene konsentreres om det som betyr noe. Derimot søkes LiDAR-oppløsning ofte av "flere kanaler overalt", noe som raskt blir dyrt og-krevende."
Skaleringsproblemet
Maskinsynssystemer har utvidet seg utover tradisjonelle kameraer til å inkludere LiDAR-sensorer, som muliggjør nøyaktig avstandsmåling og 3D-miljøoppfatning. I motsetning til passive kameraer krever LiDAR imidlertid emisjons- og mottaksmaskinvare for hver piksel, noe som begrenser oppnåelig oppløsning.
Nåværende tilnærminger for å forbedre LiDAR-oppløsningen står overfor en kritisk flaskehals. Kanalduplikering gir lineære oppløsningsgevinster, men utløser superlineære eksplosjoner i kompleksitet, kraft og kostnader.
"For det første er oppløsningen tett koblet til maskinvarekanaltelling og skanningsmekanikk. For det andre er LiDAR en aktiv sensor: hver piksel koster effektivt både overførings- og mottaksressurser," forklarte forskerne. "Det gjør adaptiv fokusering fundamentalt vanskeligere enn ved passiv bildebehandling, fordi du må administrere optisk kraft, mottakerfølsomhet og digitaliseringsbåndbredde samtidig som du møter øyesikkerhetsbegrensninger."
For koherent frekvens-modulert kontinuerlig bølge LiDAR er denne utfordringen spesielt akutt. Hver sammenhengende kanal krever stabil frekvenskontroll, sofistikert mottaksmaskinvare og tett kalibrering. Dette gjør massiv kanalduplisering langt vanskeligere å rettferdiggjøre økonomisk.
En biomimetisk løsning
Forskernes løsning kombinerer to nøkkelteknologier. Disse inkluderer en smidig ekstern-hulromslaser (ECL) med et innstillingsområde på over 100 nm, og rekonfigurerbare elektro-optiske frekvenskammer bygget på tynn-filmlitiumniobat (TFLN)-plattformer.
ECL gir høy-kvalitets FMCW chirp-signaler for koherent rekkevidde og fungerer som en bølgelengde-kontrollert stråle-styringsmekanisme. Ved å stille inn senterbølgelengden kan systemet raskt omdirigere visningsretningen innenfor et bredt synsfelt.
Den elektro-optiske kammen genererer deretter flere parallelle FMCW-bærere fra den samme kvitrende laserkilden. Det er avgjørende at justering av radiofrekvensdrivforholdene endrer kamavstanden.
"Dette er det som muliggjør 'zoom'-vi kan øke punkttettheten i et valgt område (finere prøvetaking) eller slappe av det (grovere prøvetaking) uten å endre optikken eller legge til kanaler," la forskerne til.
Systemet bruker det forskerne kaller «mikro-parallelisme». Dette betyr å bruke et moderat antall fysiske kanaler for å oppnå tilsvarende langt flere skannelinjer gjennom dynamisk reposisjonering.
Eksperimentell validering
Teamet demonstrerte systemets evner på tvers av tre eksperimentelle scenarier, og oppnådde en vinkeloppløsning på 0,012 grader i fokuserte områder-som overgår den menneskelige netthinnens nominelle grense.
Ved statisk sceneavbildning fanget systemet et simulert veimiljø med oppløsninger på 54 x 71 piksler for full{2}}visningsskanning og 17 x 71 piksler for lokalt fokuserte skanninger. Disse fokuserte skanningene firedoblet den vertikale detaljtettheten, og avslørte hindringer som tidligere var usynlige, med 90 % av punktene presise til under 1,3 cm.
Forskerne demonstrerte også LiDAR-kamerafusjon, og skaper fargede punktskyer som kombinerer presis 3D-geometri med RGB-utseendedata. Når man sammenligner standard versus fokuserte skanninger, ble fargehistogramjusteringen forbedret med omtrent 10 %, noe som indikerer bedre samsvar mellom 3D-punkter og bildepiksler.
"Ved å smelte sammen LiDAR med et kamera, genererer vi fargede punktskyer og beriker scenerepresentasjonen, noe som forbedrer tolkbarheten og støtter nedstrøms persepsjonsoppgaver som er avhengige av tekstur og semantiske signaler," forklarte forskerne.
Det kanskje mest imponerende var at teamet fanget sann-4D-pluss avbildning-et basketballkast der hvert punkt viste posisjon, spinnhastighet, overflatereflektivitet og farge samtidig. Ved 8 Hz over et bredt synsfelt avslørte dette bevegelsesmønstre som var usynlige for standard 3D LiDAR.
Det eksperimentelle arbeidet avdekket viktige avveininger på system-nivå som gir grunnlag for fremtidige utviklingsbaner.
"Den tydeligste er spenningen mellom vinkeloppløsning og per{0}}kanals målingshøyde," bemerket forskerne. "I vår parallelle koherente avlesning må hver kanal oppta sitt eget ikke-overlappende elektriske bånd. Når vi reduserer repetisjonsfrekvensen, kan vi faktisk presse vinkelsamplingen finere, men eksperimentet viser at dette også komprimerer båndbredden for per-kanalavlesning."
Teamet identifiserte flere prioriterte retninger for å fremme teknologien mot praktisk distribusjon. Disse inkluderer dypere monolittisk integrasjon på TFLN-plattformer, utvikling av ultra-bredbåndsbaserte kilder for forbedret rekkeviddeoppløsning, og implementering av lukket-sløyfe-oppmerksomhetspolicyer for hendelsesdrevet oppfatning.
Nåværende eksperimenter med fiberkoblinger introduserer polarisasjonsustabilitet som begrenser materialklassifiseringsevnen.
"Men vi ser for oss at monolitisk integrasjon fundamentalt vil løse denne flaskehalsen," sa forskerne. "Ved å skifte fra ustabile fiberbaner til begrensede-chipbølgeledere kan vi oppnå stabil polarisasjonsgjenoppretting."
Det bioniske LiDAR-systemet tilbyr potensielle bruksområder som spenner over autonome kjøretøy, luft- og marinedroner, robotikk og nevromorfe synssystemer. Utover LiDAR, muliggjør rekonfigurerbare kammer rask spektralanalyse for optisk kommunikasjon, koherenstomografi, kompressiv sensing og presisjonsmetrologi, ifølge forskerne.
