Pro sledování prostředí a navigaci v reálném světě by robot měl být schopen pořizovat snímky a měření prostředí za různých světelných podmínek na pozadí. V posledních letech výzkumní pracovníci a inženýři po celém světě pracují na vývoji stále pokročilejších senzorů pro integraci do robotů, sledovacích systémů nebo jiných zařízení, která dokážou vnímat své okolí.
Podle společnosti Memes Consulting výzkumníci z Hong Kong Polytechnic University, Peking University, Yonsei University a Fudan University nedávno vyvinuli nový typ senzoru bionického vidění, který využívá mechanismus, který uměle simuluje funkci sítnice a lze jej použít v různých shromážděných datech. za světelných podmínek. Tento senzor bionického vidění je založen na fototranzistorech vyrobených ze sulfidu molybdeničitého.
Fotografie pole senzorů biomimetického vidění (vlevo); schematická struktura jednotky zrakového senzoru a obraz z optického mikroskopu (vpravo)
"Our research team started work on optoelectronic memory five years ago," said Yang Chai, one of the researchers who developed the vision sensor. "This emerging device can output light-dependent and history-dependent signals, enabling image integration. , Weak signal accumulation, spectral analysis and other complex image processing functions, the multi-functional integration of sensing, data storage and data processing into one device."
V roce 2018 Yang Chai a jeho kolegové publikovali první článek o optoelektronické paměti, ve kterém představili odporové spínací paměťové zařízení, které může provádět snímání světla a logické operace. O rok později tým představil nový typ fotoodporové paměti s náhodným přístupem se třemi různými funkcemi. Konkrétně může nové zařízení snímat prostředí, ukládat informace do paměti a provádět neuromorfní operace vizuálního předběžného zpracování.
"We studied the concepts of near-sensor and in-sensor computing paradigms in 2020 and published our views in the field." Yang Chai continued, "This new research on biomimetic vision sensors builds on our On top of all previous efforts."
The intensity of ambient natural light varies widely, with a total range of 280 dB. When the human retina senses external light signals, it adjusts the light sensitivity of its photoreceptors (i.e., rods and cones) according to the strength of the signal. This ultimately enables the human eye to gradually adapt to varying levels of lighting, allowing it to see clearly in both dark and bright environments, an ability known as "visual adaptation."
"For example, when you enter a dark cinema from a bright hall, you can hardly see anything at first, but after a while in the cinema, it becomes easier to see things," explains Yang Chai. "This phenomenon is called scotopic adaptation. Conversely, if you go from a dark movie theater to a sunny outdoors, you'll feel very dazzled at first, and it takes a while to get used to seeing what's going on around you. The process The opposite of dark adaptation is called photopic adaptation."
The main goal of Yang Chai and his colleagues' recent work is to build a vision sensor inspired by the structure and function of the human retina. To do this, they first started by studying the human retina and then tried to design perceptual strategies that would allow them to artificially simulate visual adaptations.
Nejmodernější ---umělecké obrazové snímače založené na technologii CMOS mají obvykle omezený dynamický rozsah 70 dB. Tento dynamický rozsah je však mnohem užší než rozsah osvětlení přírodních scén (280 dB).
"To achieve visual perception over a wide range of light intensities, researchers have explored the use of controlled optical apertures, liquid lenses, adjustable exposure times, and denoising algorithms in post-processing," said Yang Chai. "However, these Methods often require complex hardware and software resources."
Dark and light adaptation of biomimetic vision sensor arrays. (a) Schematic of the dark adaptation test: recognition of low-light images using an 8 x 8 pixel array in a dark environment. (b) Schematic diagram of light adaptation test: recognition of high-illuminance images using an 8 x 8 pixel array in a bright environment. (c) Dark adaptation process to identify the "8" pattern. (d) The photoadaptation process to identify the "8" pattern.
Optoelektronická zařízení s viděním-adaptujícím na světlo a širokým dosahem snímání na senzorických terminálech by mohla mít velmi cenné aplikace. Mohou například pomoci zlepšit výkon nástrojů počítačového vidění, snížit složitost hardwaru potřebnou k sestavení robotů nebo jiných snímacích systémů a zlepšit přesnost systémů rozpoznávání obrazu.
I když jiné výzkumné týmy v minulosti vyvinuly optoelektronická zařízení, která se dokážou přizpůsobit různým světelným podmínkám. Většina dříve demonstrovaných zařízení však dokáže pouze napodobit světelný adaptační mechanismus sítnice. Proces adaptace na tmu se zatím ukázal jako obtížnější simulovat.
"There is still a long way to go to fully replicate the visual adaptation function of the retina," explains Yang Chai. "To achieve this, we designed a phototransistor-based vision sensor using ultra-thin semiconductors that can The degree of dark adaptation and light adaptation in the same device was controlled by applying different gate voltages. In this way, we simulated photoreceptors and horizontal cells in the retina and successfully achieved a sensing range of 199 dB. Vision-adaptive devices in biomimetic sensors."
Umělá simulace fotoreceptorů a horizontálních buněk v sítnici pro vizuální adaptaci (adaptace na tmu a adaptaci na světlo)
Biomimetický zrakový senzor vyvinutý Yang Chai a kolegy je založen na fototranzistorech vyrobených z ultratenkého polovodičového materiálu známého jako disulfid molybdenu. Fototranzistory, které použili, mají několik stavů nábojové pasti, které mohou zachytit nebo uvolnit elektrony v kanálu při různých napětích hradla.
Ultimately, these states allow researchers to dynamically tune the conductance of their devices. This, in turn, allowed them to artificially simulate the dark- and light-adaptive mechanisms of the human retina, thereby expanding the range of their sensor's perception of different lighting conditions.
"Our bionic vision sensor has several advantages and features," said Yang Chai. "First, the visual adaptation function is implemented in a single device, which greatly reduces the footprint. Second, multiple functions can be implemented on a single device. , including light sensing, memory, and processing. Finally, dark and light adaptation under different light intensities can be achieved by controlling its gate voltage."
Yang Chai a jeho kolegové vyhodnotili senzor bionického vidění v sérii testů a zjistili, že dokáže účinně napodobit funkci lidské sítnice a dosáhnout pozoruhodných výsledků v adaptaci na tmu i na světlo. Kromě toho má výrazně vyšší rozsah vnímání (199 dB) ve srovnání s dříve navrhovanými řešeními.
"Our vision sensor can enrich machine vision functions, reduce hardware complexity, and achieve high image recognition efficiency," said Yang Chai, "All these advantages are available in areas such as autonomous driving, face recognition, and industrial manufacturing in complex lighting environments. great application prospects."
V budoucích studiích plánují vědci dále zlepšit výkon zrakového senzoru a zároveň jej použít k výrobě rozsáhlých-systémů sestávajících z polí senzorů. V ideálním případě chtějí toto pole senzorů postavit na flexibilním nebo polokulovém substrátu, aby umožnili širší zorné pole.
"One area that needs improvement is the adaptation time of our vision sensor, as it is still not enough to support machine vision applications." Yang Chai added, "Our goal is to reduce the adaptation time to the microsecond level. In addition, the vision sensor array scale Further improvements are also needed. Our near-term target for array size is greater than 100 x 100 pixels. Finally, the heterogeneous integration of vision sensors and post-processing units, including silicon-based control circuits, is a very important step toward practical applications."
Technologie GMKJ je hluboce zapojena do zdravých a inteligentních světelných zdrojů a poskytuje na trh celou řadu UVA UVB UVC LED, infračervených IR LED VCSEL produktů a řešení. Má stovky vysoce{0}}kvalitních partnerů na domácích i zahraničních trzích, kteří společně propagují používání světelných technologií k vytvoření zdravého a chytrého života. .
