Современные системы машинного зрения для роботов и дронов основаны на 3D-датчиках, которые, несмотря на свою мощность, не всегда успевают за быстрыми и непредсказуемыми движениями реального мира. Эти системы часто с трудом мгновенно измеряют скорость или слишком громоздки и дороги для повседневного использования. Теперь же в статье, опубликованной в журнале Nature , ученые сообщают о разработке 4D-датчика изображения на чипе, который создает 3D-карты окружающей среды, одновременно отслеживая скорость движущихся объектов.
Датчики на чипе
Исследователи создали матрицу фокальной плоскости (FPA) — физическую сетку из 61 952 стационарных пикселей, вытравленных на одном кремниевом чипе. Каждый из них представляет собой крошечный датчик, излучающий лазерный свет в направлении сцены и регистрирующий отраженный сигнал.
Для «видения» окружающей среды лазерный свет от внешнего источника подается на чип. Этот свет проходит через чип по сети оптических переключателей, которые последовательно направляют его к группам пикселей. Затем каждый пиксель использует метод, называемый FMCW LiDAR, для измерения возвращающегося сигнала, который впоследствии обрабатывается для определения расстояния и скорости. Во многих системах LiDAR один набор пикселей посылает свет, а другой принимает его, но здесь все пиксели одновременно посылают и принимают, что делает систему гораздо более компактной.
Кроме того, в этом чипе используется непрерывный лазерный луч, а не короткие световые импульсы, как в традиционных датчиках. Преимущество заключается в том, что это позволяет датчику обнаруживать мельчайшие изменения частоты световых волн. Это позволяет чипу одновременно вычислять расстояние до объекта и его скорость.
Измерение расстояния и скорости одновременно
Команда протестировала свой датчик на чипе в нескольких условиях, чтобы проверить, как он может работать на разных расстояниях и при движении. Он сканировал сцены, а затем восстанавливал их в трехмерные цифровые карты, состоящие из тысяч точек данных. Система успешно отображала внутренние помещения на расстоянии от 6 до 11 метров.
Чтобы проверить дальность действия, ученые направили чип на здание, расположенное в 65 метрах от них, и он оказался достаточно мощным, чтобы запечатлеть такие детали, как окна и балконы. Они также протестировали свою инновацию на вращающемся диске, и он мгновенно измерил свою скорость.
«Это первая демонстрация крупномасштабной когерентной матрицы фотоприемников со всей сопутствующей электроникой, интегрированной на одном кристалле, что приводит к структуре затрат, необходимой для ее широкого внедрения», — написал ведущий автор исследования Ремус Николаеску.
Команде еще предстоит поработать над чипом, например, повысить разрешение и расширить его диапазон. После выхода за пределы лаборатории эта технология сможет приносить пользу не только роботам и дронам. Она также сможет улучшить цифровые камеры, в том числе и те, что используются в наших телефонах.
