Mewn astudiaeth ddiweddar, mae ymchwilwyr o Tsieina wedi datblygu system LiDAR sglodyn sy'n dynwared y llygad dynol trwy ganolbwyntio'n ddeinamig ar synhwyro cydraniad uchel ar ranbarthau o ddiddordeb (ROI) tra'n cynnal ymwybyddiaeth eang ar draws y maes golygfa llawn.
Cyhoeddir yr astudiaeth yn y cyfnodolynCyfathrebu Natur.
Mae systemau LiDAR yn pweru golwg peiriant wrth yrru ceir, dronau a robotiaid eu hunain trwy danio trawstiau laser i fapio golygfeydd 3D gyda milimetrau manwl gywir. Mae'r llygad yn pacio ei synwyryddion dwysaf yn y fovea (man gwelediad canolog miniog) ac yn symud syllu i'r hyn sy'n bwysig. Mewn cyferbyniad, mae'r rhan fwyaf o LiDARs yn defnyddio trawstiau cyfochrog anhyblyg neu sganiau sy'n lledaenu cydraniad unffurf (yn aml bras) ym mhobman. Mae rhoi hwb i fanylion yn golygu ychwanegu mwy o sianeli yn unffurf, sy'n ffrwydro costau, pŵer a chymhlethdod.
Mae dyluniad y tîm yn cyflawni cydraniad onglog "y tu hwnt i-retina" o 0.012 gradd mewn ROIs- ddwywaith mor sydyn â therfyn gradd 0.017 y llygad. Mae hyn yn golygu y gall y system wahaniaethu rhwng pwyntiau sydd wedi'u gwahanu gan yr onglau lleiaf, fel nodi manylion mân ar arwydd ffordd pell. Mae'n ailddyrannu sianeli synhwyro cyfochrog yn ôl y galw, gan osgoi graddio grym 'n Ysgrublaidd costus.
Siaradodd Phys.org â chyd-awduron yr astudiaeth, Ruixuan Chen a Xingjun Wang, o Ysgol Electroneg Prifysgol Peking.
"Daw'r cymhelliant o ddiffyg cyfatebiaeth ymarferol rhwng canfyddiad biolegol a pheiriant," esboniodd yr ymchwilwyr. "Mae'r llygad dynol yn cyflawni craffter ac effeithlonrwydd ynni uchel trwy ailddyrannu sylw-cynnal ymwybyddiaeth eang tra'n canolbwyntio adnoddau ar yr hyn sy'n bwysig. Mewn cyferbyniad, mae datrysiad LiDAR yn aml yn cael ei ddilyn gan 'fwy o sianeli ym mhobman', sy'n dod yn ddrud yn gyflym ac yn newynu pŵer."
Y broblem graddio
Mae systemau golwg peiriant wedi ehangu y tu hwnt i gamerâu traddodiadol i gynnwys synwyryddion LiDAR, sy'n galluogi mesur pellter manwl gywir a chanfyddiad amgylcheddol 3D. Yn wahanol i gamerâu goddefol, fodd bynnag, mae LiDAR yn mynnu caledwedd allyriadau a derbyniad ar gyfer pob picsel, gan gapio datrysiad cyraeddadwy.
Mae dulliau presennol o wella datrysiad LiDAR yn wynebu tagfa gritigol. Mae dyblygu sianel yn sicrhau enillion datrysiad llinol ond yn sbarduno ffrwydradau uwch-linellol o ran cymhlethdod, pŵer a chost.
"Yn gyntaf, mae datrysiad wedi'i gysylltu'n dynn â chyfrif sianel caledwedd a mecaneg sganio. Yn ail, mae LiDAR yn synhwyrydd gweithredol: mae pob picsel i bob pwrpas yn costio trosglwyddo a derbyn adnoddau," esboniodd yr ymchwilwyr. "Mae hynny'n gwneud canolbwyntio addasol yn sylfaenol anoddach nag mewn delweddu goddefol, oherwydd mae'n rhaid i chi reoli pŵer optegol, sensitifrwydd derbynnydd, a lled band digido wrth gwrdd â-cyfyngiadau diogelwch llygad."
Ar gyfer LiDAR tonnau parhaus wedi'u modiwleiddio amledd cydlynol, mae'r her hon yn arbennig o ddifrifol. Mae angen rheolaeth amlder sefydlog ar bob sianel gydlynol, caledwedd derbyniad soffistigedig, a graddnodi tynn. Mae hyn yn ei gwneud yn anoddach o lawer i gyfiawnhau'n economaidd ddyblygu sianeli enfawr.
Datrysiad biomimetig
Mae datrysiad yr ymchwilwyr yn cyfuno dwy dechnoleg allweddol. Mae'r rhain yn cynnwys laser ceudod allanol ystwyth (ECL) gydag ystod tiwnio o dros 100 nm, a chribau amledd optig electro y gellir eu hailgyflunio wedi'u hadeiladu ar lwyfannau ffilm tenau lithiwm niobate (TFLN).
Mae'r ECL yn darparu signalau chirp FMCW o ansawdd uchel ar gyfer amrediad cydlynol ac yn gweithredu fel mecanwaith llywio trawst a reolir gan donfedd. Trwy diwnio tonfedd y ganolfan, gall y system ailgyfeirio ei gyfeiriad gwylio yn gyflym o fewn maes golygfa eang.
Yna mae'r crib electro-optig yn cynhyrchu cludwyr FMCW cyfochrog lluosog o'r un ffynhonnell laser â chirped. Yn hollbwysig, mae addasu amodau gyriant amledd radio yn newid bylchau crib.
"Dyma sy'n galluogi 'chwyddo'-gallwn gynyddu'r dwysedd pwynt mewn rhanbarth dethol (samplu manylach) neu ei ymlacio (samplu mwy bras) heb newid yr opteg nac ychwanegu sianeli," ychwanegodd yr ymchwilwyr.
Mae'r system yn defnyddio'r hyn y mae'r ymchwilwyr yn ei alw'n "micro-parallelism." Mae hyn yn golygu defnyddio nifer gymedrol o sianeli ffisegol i gyflawni'r hyn sy'n cyfateb i lawer mwy o linellau sganio trwy ail-leoli deinamig.
Dilysiad arbrofol
Dangosodd y tîm alluoedd y system ar draws tri senario arbrofol, gan gyflawni cydraniad onglog o 0.012 gradd mewn rhanbarthau â ffocws-yn rhagori ar derfyn nominal y retina dynol.
Mewn delweddu golygfa statig, cipiodd y system amgylchedd ffordd efelychiadol ar gydraniad o 54 wrth 71 picsel ar gyfer sganiau golwg maes llawn a 17 wrth 71 picsel ar gyfer sganiau â ffocws lleol. Roedd y sganiau ffocws hyn wedi cynyddu'r dwysedd manylder fertigol bedair gwaith, gan ddatgelu rhwystrau a oedd yn anweledig o'r blaen, gyda 90% o'r pwyntiau yn union i lai na 1.3 cm.
Dangosodd yr ymchwilwyr hefyd ymasiad camera LiDAR, gan greu cymylau pwynt lliw sy'n cyfuno geometreg 3D manwl gywir â data ymddangosiad RGB. Wrth gymharu sganiau safonol yn erbyn sganiau â ffocws, gwellodd aliniad histogram lliw tua 10%, sy'n dangos gwell cyfatebiaeth rhwng pwyntiau 3D a picsel delwedd.
“Trwy asio LiDAR â chamera, rydym yn cynhyrchu cymylau pwynt lliw ac yn cyfoethogi cynrychiolaeth yr olygfa, sy’n gwella dehongliad ac yn cefnogi tasgau canfyddiad i lawr yr afon sy’n dibynnu ar wead a chiwiau semantig,” esboniodd yr ymchwilwyr.
Yn fwyaf trawiadol efallai, cipiodd y tîm -amser 4D- a delweddu-taflu pêl-fasged lle roedd pob pwynt yn dangos lleoliad, cyflymder troelli, adlewyrchedd arwyneb, a lliw ar yr un pryd. Ar 8 Hz ar draws maes golygfa eang, datgelodd hyn batrymau mudiant anweledig i LiDAR 3D safonol.
Datgelodd y gwaith arbrofol gyfaddawdau lefel system bwysig sy'n llywio llwybrau datblygu yn y dyfodol.
"Yr un amlycaf yw'r tensiwn rhwng cydraniad onglog ac uchdwr mesur fesul sianel," nododd yr ymchwilwyr. "Yn ein darlleniad cydlynol cyfochrog, mae'n rhaid i bob sianel feddiannu ei band trydanol nad yw'n gorgyffwrdd. Pan fyddwn yn lleihau'r gyfradd ailadrodd, gallwn yn wir wthio'r manach samplu onglog, ond mae'r arbrawf yn dangos bod hyn hefyd yn cywasgu lled band darllen allan y sianel."
Nododd y tîm nifer o gyfeiriadau blaenoriaeth ar gyfer symud y dechnoleg ymlaen tuag at ddefnydd ymarferol. Mae'r rhain yn cynnwys integreiddio monolithig dyfnach ar blatfformau TFLN, datblygu ffynonellau hynod o fand llydan er mwyn datrys ystod yn well, a gweithredu polisïau sylw dolen caeëdig ar gyfer canfyddiad sy'n cael ei yrru gan ddigwyddiadau.
Mae arbrofion cyfredol gan ddefnyddio cysylltiadau ffibr yn cyflwyno ansefydlogrwydd polareiddio sy'n cyfyngu ar alluoedd dosbarthu deunyddiau.
“Fodd bynnag, rydyn ni’n rhagweld y bydd integreiddio monolithig yn datrys y dagfa hon yn sylfaenol,” meddai’r ymchwilwyr. "Trwy symud o lwybrau ffibr ansefydlog i gyfeiriadau tonnau sglodion, gallwn sicrhau adferiad sefydlog pegynu."
Mae'r system LiDAR bionig yn cynnig cymwysiadau posibl sy'n rhychwantu cerbydau ymreolaethol, dronau awyr a morol, roboteg, a systemau gweledigaeth niwromorffig. Y tu hwnt i LiDAR, mae crwybrau y gellir eu hailgyflunio yn galluogi dadansoddiad sbectrol cyflym ar gyfer cyfathrebu optegol, tomograffeg cydlyniad, synhwyro cywasgol, a mesureg fanwl, yn ôl yr ymchwilwyr.
