A környezet figyeléséhez és a való világban való navigáláshoz a robotnak képesnek kell lennie képek és környezeti mérések készítésére különböző háttérvilágítási körülmények között. Az elmúlt években a kutatók és mérnökök világszerte egyre fejlettebb szenzorok kifejlesztésén dolgoztak, hogy integrálódjanak robotokba, megfigyelőrendszerekbe vagy más olyan eszközökbe, amelyek képesek érzékelni a környezetüket.
A Memes Consulting szerint a Hongkongi Politechnikai Egyetem, a Pekingi Egyetem, a Yonsei Egyetem és a Fudan Egyetem kutatói a közelmúltban kifejlesztettek egy új típusú bionikus látásérzékelőt, amely olyan mechanizmust használ, amely mesterségesen szimulálja a retina működését, és különféle esetekben felhasználható. fényviszonyok között. Ez a bionikus látásérzékelő molibdén-diszulfidból készült fototranzisztorokon alapul.
Fénykép a biomimetikus látásérzékelő tömbről (balra); a látásérzékelő egység sematikus felépítése és az optikai mikroszkóp kép (jobbra)
"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."
2018-ban Yang Chai és munkatársai publikálták az első tanulmányt az optoelektronikus memóriáról, amelyben bemutattak egy rezisztív kapcsolómemóriaeszközt, amely fényérzékelési és logikai műveleteket tud végrehajtani. Egy évvel később a csapat bemutatott egy új típusú fotorezisztív véletlen hozzáférésű memóriát három különböző funkcióval. Konkrétan, az új eszköz képes érzékelni a környezetet, tárolni az információkat a memóriában, és neuromorf vizuális előfeldolgozási műveleteket végezni.
"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.
A CMOS technológián alapuló -korszerű- képérzékelők jellemzően korlátozott, 70 dB-es dinamikatartománnyal rendelkeznek. Ez a dinamikatartomány azonban sokkal szűkebb, mint a természetes jelenetek megvilágítási tartománya (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.
A fényadaptív látással{0}} és a szenzoros terminálokon széles érzékelési tartománnyal rendelkező optoelektronikai eszközök nagyon értékes alkalmazások lehetnek. Például segíthetnek javítani a számítógépes vizuális eszközök teljesítményén, csökkenteni a robotok vagy más érzékelőrendszerek építéséhez szükséges hardver bonyolultságát, és javítani a képfelismerő rendszerek pontosságát.
Bár más kutatócsoportok korábban olyan optoelektronikai eszközöket fejlesztettek ki, amelyek képesek alkalmazkodni a különböző fényviszonyokhoz. A korábban bemutatott eszközök többsége azonban csak a retina fényadaptációs mechanizmusát képes utánozni. A sötét adaptációs folyamatot eddig nehezebbnek bizonyult szimulálni.
"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."
A retinában lévő fotoreceptorok és vízszintes sejtek mesterséges szimulációja a vizuális adaptáció érdekében (sötét adaptáció és fényadaptáció)
A Yang Chai és munkatársai által kifejlesztett biomimetikus látásérzékelő ultravékony félvezető anyagból, molibdén-diszulfidból készült fototranzisztorokon alapul. Az általuk használt fototranzisztorok több töltéscsapda állapottal rendelkeznek, amelyek különböző kapufeszültségeken képesek befogni vagy felszabadítani az elektronokat a csatornán belül.
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 és munkatársai egy sor teszt során értékelték a bionikus látásérzékelőt, és megállapították, hogy hatékonyan képes utánozni az emberi retina működését, figyelemre méltó eredményeket érve el mind a sötét, mind a fény adaptációjában. Ezenkívül lényegesen magasabb érzékelési tartományban (199 dB) rendelkezik a korábban javasolt megoldásokhoz képest.
"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."
A jövőbeli tanulmányok során a kutatók azt tervezik, hogy tovább javítják a látásérzékelő teljesítményét, miközben nagyméretű, érzékelőtömbökből álló{0}}rendszerek előállítására is használják. Ideális esetben ezt az érzékelőtömböt rugalmas vagy félgömb alakú hordozóra akarják építeni, hogy szélesebb látómezőt biztosítsanak.
"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."
A GMKJ Technology mélyen foglalkozik az egészséges és intelligens fényforrásokkal, és az UVA UVB UVC LED, infravörös IR LED VCSEL termékek és megoldások teljes skáláját kínálja a piacnak. Több száz kiváló minőségű{0}}partnerrel rendelkezik a hazai és külföldi piacokon, hogy közösen támogassák a fénytechnológia alkalmazását az egészséges és intelligens élet megteremtése érdekében. .
