В последние годы системы машинного зрения, используемые в роботах и дронах, многими считаются недостаточно быстрыми для реагирования на непредсказуемые движения окружающего мира, несмотря на свою высокую производительность. Эти устройства часто требуют значительных ресурсов или имеют высокую стоимость, что ограничивает их применение в повседневной жизни. Однако в недавнем выпуске журнала Nature исследователи представили 4D-датчик изображения на чипе, который способен создавать 3D-карты местности и одновременно отслеживать скорость движущихся объектов.
Чип с датчиками
В рамках своих исследований ученые разработали матрицу фокальной плоскости (FPA) — это сетка из 61 952 стационарных пикселей, созданная на одном кремниевом чипе. Каждый пиксель функционирует как миниатюрный датчик, который испускает лазерный свет в сторону исследуемой сцены и фиксирует возвращающийся сигнал.
Для обеспечения «видения» окружающего мира лазерный свет подается на чип извне. Он проходит через сеть оптических переключателей, которые последовательно нацеливают его на группы пикселей. Каждый пиксель использует метод FMCW LiDAR для анализа возвращающегося сигнала, что позволяет вычислять расстояние до объекта и его скорость. В отличие от многих традиционных систем LiDAR, где один набор пикселей испускает свет, а другой его принимает, в новой системе все пиксели могут выполнять обе функции одновременно, что делает устройство более компактным.
Кроме того, в отличие от стандартных датчиков, этот чип работает с непрерывным лазерным лучом вместо коротких световых импульсов. Это преимущество дает возможность обнаруживать даже незначительные изменения в частоте световых волн, что позволяет одновременно вычислять расстояние и скорость движущихся объектов.
Совместное измерение расстояния и скорости
Исследовательская команда провела тесты своего чипа в различных условиях, чтобы выяснить его эффективность на разных дистанциях и в движении. Датчик успешно сканировал сцены и создавал трехмерные цифровые карты, состоящие из тысяч точек данных, отображая интерьеры на расстоянии от 6 до 11 метров.
Чтобы оценить дальность действия, ученые направили чип на здание, находящееся в 65 метрах, и он смог детализировать даже такие элементы, как окна и балконы. Также была проведена проверка на вращающемся диске, где чип мгновенно определил скорость вращения.
«Это первая демонстрация крупномасштабной когерентной матрицы фотоприемников с интегрированной всей необходимой электроникой на одном кристалле, что позволяет значительно снизить затраты и ускорить внедрение технологии», — отметил ведущий автор работы Ремус Николаеску.
В будущем команде предстоит улучшить характеристики чипа, включая повышение разрешения и расширение диапазона. После выхода за пределы лаборатории эта разработка может стать полезной не только для роботов и дронов, но и для улучшения цифровых камер, в том числе тех, что используются в мобильных телефонах.
Материал Новый чип позволяет роботам видеть в 4D, одновременно отслеживая расстояние и скорость был опубликован на сайте K-News.
