Í nýlegri rannsókn hafa vísindamenn frá Kína þróað LiDAR-kerfi á flísum- sem líkir eftir krafti mannsaugaðs með því að einbeita sér með kraftmikilli-upplausnskynjun á áhugaverða svæði (ROI) á sama tíma og viðheldur víðtækri vitund um allt sjónsviðið.
Rannsóknin er birt í tímaritinuNáttúrusamskipti.
LiDAR kerfi knýja vélsjón í sjálfkeyrandi-bílum, drónum og vélmennum með því að skjóta leysigeislum til að kortleggja þrívíddarsenur með millimetra nákvæmni. Augað pakkar þéttustu skynjara sínum í fovea (skarpur miðsjónblettur) og færir augnaráðið að því sem skiptir máli. Aftur á móti nota flestir LiDAR stífa samhliða geisla eða skannanir sem dreifa samræmdri (oft grófri) upplausn alls staðar. Að auka smáatriði þýðir að bæta við fleiri rásum á einsleitan hátt, sem eykur kostnað, kraft og flókið.
Hönnun teymisins nær „handan-sjónu“ hornupplausn sem er 0,012 gráður í arðsemi-tvisvar sinnum skörari en um það bil 0,017 gráðu mörk augans. Þetta þýðir að kerfið getur greint punkta sem eru aðskildir með minnstu sjónarhornum, eins og að velja fínar upplýsingar á fjarlægu vegskilti. Það endurúthlutar samhliða skynjunarrásum á eftirspurn og forðast kostnaðarsama-kraftstærð.
Phys.org ræddi við-meðhöfunda rannsóknarinnar, Ruixuan Chen og Xingjun Wang, frá rafeindaskóla Peking háskólans.
"Hvötin kemur frá hagnýtu misræmi milli líffræðilegrar skynjunar og vélrænnar skynjunar," útskýrðu vísindamennirnir. "Mannlegt auga nær mikilli skerpu og orkunýtni með því að endurúthluta athygli-og viðhalda víðtækri vitund á sama tíma og fjármagn er einbeitt að því sem skiptir máli. Aftur á móti er LiDAR upplausn oft stunduð af 'fleirri rásum alls staðar', sem verður fljótt dýrt og-svangur."
Stærðarvandamálið
Vélsjónkerfi hafa stækkað umfram hefðbundnar myndavélar til að fela í sér LiDAR skynjara, sem gera nákvæmar fjarlægðarmælingar og 3D umhverfisskynjun kleift. Ólíkt óvirkum myndavélum krefst LiDAR hins vegar útblásturs- og móttökuvélbúnaðar fyrir hvern pixla, sem takmarkar upplausn sem hægt er að ná.
Núverandi aðferðir til að bæta LiDAR upplausn standa frammi fyrir mikilvægum flöskuhálsi. Tvíverkun rásar skilar línulegri upplausnaraukningu en kallar fram ofurlínulegar sprengingar í flækjustig, krafti og kostnaði.
"Í fyrsta lagi er upplausn þétt tengd við fjölda vélbúnaðarrása og skönnunarvélfræði. Í öðru lagi er LiDAR virkur skynjari: hver pixla kostar í raun bæði sendingar og móttöku auðlinda," útskýrðu vísindamennirnir. "Það gerir aðlögunarfókus í grundvallaratriðum erfiðari en í óvirkri myndgreiningu, vegna þess að þú verður að stjórna sjónrænu afli, móttakaranæmi og stafrænni bandbreidd á sama tíma og þú uppfyllir öryggisþvinganir augna-."
Fyrir samfellda tíðni-stýrða samfellda bylgju LiDAR er þessi áskorun sérstaklega bráð. Hver samfelld rás krefst stöðugrar tíðnistjórnunar, háþróaðs móttökubúnaðar og þéttrar kvörðunar. Þetta gerir gríðarlega tvíverknað rása mun erfiðara að réttlæta efnahagslega.
Lífeftirlíking lausn
Lausn vísindamannanna sameinar tvær lykiltækni. Þar á meðal eru lipur ytri-holaleysir (ECL) með stillingarsvið sem er yfir 100 nm, og endurstillanlegar raf-sjónræn tíðnikambur byggðar á þunnri-filmu litíumníóbat (TFLN) kerfum.
ECL veitir hágæða FMCW-típmerki fyrir samfellda fjarlægð og virkar sem bylgjulengdar-stýrður geisla-stýribúnaður. Með því að stilla miðbylgjulengdina getur kerfið beint sjónstefnu sinni hratt innan breitt sjónsviðs.
Raf-ljóskamburinn býr síðan til marga samhliða FMCW flutningstæki úr sama típandi leysigjafa. Það sem skiptir sköpum er að stilla aðstæður fyrir útvarpsbylgjur breytir greiðubili.
„Þetta er það sem gerir „aðdrátt“ kleift-við getum aukið punktþéttleika á völdum svæðum (fínnari sýnatöku) eða slakað á honum (grófari sýnatöku) án þess að breyta ljósfræði eða bæta við rásum,“ bættu rannsakendur við.
Kerfið notar það sem rannsakendur kalla „ör-samsíða“. Þetta þýðir að nota hóflegan fjölda líkamlegra rása til að ná sem jafngildir miklu fleiri skönnunarlínum með kraftmikilli endurstillingu.
Tilraunaprófun
Teymið sýndi fram á getu kerfisins í þremur tilraunasviðsmyndum og náði 0,012 gráðu hyrnupplausn á fókussvæðum- sem fer yfir nafnmörk sjónhimnu mannsins.
Í kyrrstöðumyndatöku fanga kerfið eftirlíkt vegaumhverfi í upplausninni 54 x 71 pixla fyrir fulla-mynd af-sýn og 17 x 71 pixla fyrir staðbundna skannanir. Þessar fókusskannanir fjórfölduðu lóðrétta smáatriðin og afhjúpuðu hindranir sem áður voru ósýnilegar, með 90% punkta nákvæma niður í 1,3 cm.
Rannsakendur sýndu einnig LiDAR-myndavélarsamruna, og mynduðu lituð punktský sem sameina nákvæma þrívíddar rúmfræði og RGB útlitsgögn. Þegar staðlaðar skannanir voru bornar saman á móti einbeittum skönnunum, batnaði litasúluritsjöfnun um u.þ.b. 10%, sem gefur til kynna betri samsvörun milli þrívíddarpunkta og myndpixla.
„Með því að sameina LiDAR við myndavél myndum við lituð punktský og auðgum framsetningu vettvangsins, sem bætir túlkanleika og styður skynjunarverkefni sem eru háð áferð og merkingarlegum vísbendingum,“ útskýrðu rannsakendur.
Það sem er kannski áhrifaríkast var að liðið tók rauntíma 4D-ásamt mynd-körfuboltakasti þar sem hver punktur sýndi stöðu, snúningshraða, endurspeglun yfirborðs og lit samtímis. Við 8 Hz yfir breitt sjónsvið leiddi þetta í ljós hreyfimynstur sem eru ósýnileg fyrir venjulegt 3D LiDAR.
Tilraunavinnan leiddi í ljós mikilvæg kerfis-viðskipti sem upplýsa framtíðarþróunarleiðir.
„Skýrasta er spennan á milli hornaupplausnar og loftrýmis fyrir hverja-rás mælingar,“ bentu rannsakendurnir á. "Í samhliða samfelldu útlestri okkar verður hver rás að taka upp sitt eigið rafband sem skarast ekki-. Þegar við lækkum endurtekningarhraðann getum við örugglega ýtt hornsýnatökunni fínni, en tilraunin sýnir að þetta þjappar líka saman bandbreidd útlestrar á hverja-rás."
Teymið benti á nokkrar forgangsleiðbeiningar til að efla tæknina í átt að hagnýtri dreifingu. Þetta felur í sér dýpri einhæfa samþættingu á TFLN kerfum, þróun á ofur-breiðbandssópuðum heimildum fyrir betri sviðsupplausn og innleiðingu á lokuðum-lykkja athyglisstefnu fyrir-atburðadrifna skynjun.
Núverandi tilraunir sem nota trefjatengingar kynna skautunaróstöðugleika sem takmarkar efnisflokkunargetu.
"Hins vegar sjáum við fyrir okkur að einhæf samþætting muni í grundvallaratriðum leysa þennan flöskuháls," sögðu vísindamennirnir. "Með því að skipta frá óstöðugum trefjaleiðum yfir í bundnar-bylgjuleiðara, getum við náð stöðugri skautun endurheimt."
Lífræna LiDAR kerfið býður upp á hugsanlega notkun sem spannar sjálfstýrð farartæki, loft- og sjódróna, vélfærafræði og taugasjónkerfi. Fyrir utan LiDAR gera endurstillanlegar greiðar hraðvirka litrófsgreiningu fyrir sjónsamskipti, samhengissneiðmynd, þjöppunarskynjun og nákvæmni mælifræði, að sögn vísindamannanna.
