Na monitorovanie prostredia a navigáciu v reálnom svete by mal byť robot schopný získavať obrázky a merania prostredia pri rôznych svetelných podmienkach pozadia. V posledných rokoch výskumníci a inžinieri na celom svete pracujú na vývoji čoraz pokročilejších senzorov, ktoré sa dajú integrovať do robotov, sledovacích systémov alebo iných zariadení, ktoré dokážu vnímať svoje okolie.
Podľa spoločnosti Memes Consulting výskumníci z Hong Kong Polytechnic University, Peking University, Yonsei University a Fudan University nedávno vyvinuli nový typ bionického zrakového senzora, ktorý využíva mechanizmus, ktorý umelo simuluje funkciu sietnice a môže byť použitý v rôznych zhromaždených údajoch. za svetelných podmienok. Tento senzor bionického videnia je založený na fototranzistoroch vyrobených z disulfidu molybdénu.
Fotografia poľa senzorov biomimetického videnia (vľavo); schematická štruktúra jednotky zrakového senzora 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 roku 2018 Yang Chai a jeho kolegovia publikovali prvý dokument o optoelektronickej pamäti, v ktorom predstavili odporové spínacie pamäťové zariadenie, ktoré dokáže vykonávať snímanie svetla a logické operácie. O rok neskôr tím predstavil nový typ fotorezistívnej pamäte s náhodným prístupom s tromi rôznymi funkciami. Konkrétne, nové zariadenie dokáže snímať prostredie, ukladať informácie do pamäte a vykonávať neuromorfné operácie vizuálneho predbežného spracovania.
"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.
Najmodernejšie{0}}--obrazové snímače založené na technológii CMOS majú zvyčajne obmedzený dynamický rozsah 70 dB. Tento dynamický rozsah je však oveľa užší ako rozsah osvetlenia prírodných 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.
Optoelektronické zariadenia s videním-adaptívnym na svetlo a širokým dosahom snímania na zmyslových termináloch by mohli mať veľmi cenné aplikácie. Môžu napríklad pomôcť zlepšiť výkon nástrojov počítačového videnia, znížiť zložitosť hardvéru potrebnú na zostavenie robotov alebo iných snímacích systémov a zlepšiť presnosť systémov rozpoznávania obrazu.
Iné výskumné tímy však v minulosti vyvinuli optoelektronické zariadenia, ktoré sa dokážu prispôsobiť rôznym svetelným podmienkam. Väčšina predtým demonštrovaných zariadení však dokáže len napodobňovať mechanizmus adaptácie sietnice na svetlo. Proces adaptácie na tmu sa zatiaľ ukázal ako ťažšie simulovateľný.
"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."
Umelá simulácia fotoreceptorov a horizontálnych buniek v sietnici pre vizuálnu adaptáciu (adaptácia na tmu a adaptáciu na svetlo)
Biomimetický zrakový senzor vyvinutý Yang Chai a kolegami je založený na fototranzistoroch vyrobených z ultratenkého polovodičového materiálu známeho ako sulfid molybdénu. Fototranzistory, ktoré použili, majú viacero stavov zachytávania náboja, ktoré môžu zachytávať alebo uvoľňovať elektróny v kanáli pri rôznych napätiach 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 kolegovia vyhodnotili senzor bionického videnia v sérii testov a zistili, že dokáže efektívne napodobňovať funkciu ľudskej sietnice a dosiahnuť pozoruhodné výsledky pri adaptácii na tmu aj svetlo. Okrem toho má výrazne vyšší rozsah vnímania (199 dB) v porovnaní s predtým navrhovanými riešeniami.
"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 budúcich štúdiách plánujú výskumníci ďalej zlepšiť výkon zrakového senzora a zároveň ho použiť na výrobu-veľkoplošných systémov pozostávajúcich zo senzorových polí. V ideálnom prípade chcú postaviť toto pole senzorov na flexibilnom alebo hemisférickom substráte, aby umožnili širšie 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."
Technológia GMKJ sa intenzívne zaoberá zdravými a inteligentnými svetelnými zdrojmi a poskytuje na trh celý rad produktov a riešení UVA UVB UVC LED, infračervené IR LED VCSEL. Má stovky-kvalitných partnerov na domácich a zahraničných trhoch, ktorí spoločne propagujú používanie svetelných technológií na vytvorenie zdravého a inteligentného života. .
