Çevreyi izlemek ve gerçek dünyada gezinmek için robot, farklı arka plan aydınlatma koşulları altında görüntüler ve çevresel ölçümler elde edebilmelidir. Son yıllarda, dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılar ve mühendisler, robotlara, gözetim sistemlerine veya çevrelerini algılayabilen diğer cihazlara entegre edilecek daha gelişmiş sensörler geliştirmek için çalışıyorlar.
Memes Consulting'e göre, Hong Kong Politeknik Üniversitesi, Pekin Üniversitesi, Yonsei Üniversitesi ve Fudan Üniversitesi'nden araştırmacılar, yakın zamanda retina fonksiyonunu yapay olarak simüle eden bir mekanizma kullanan ve çeşitli verilerde kullanılabilen yeni bir biyonik görüntü sensörü türü geliştirdiler. ışık koşulları altında. Bu biyonik görüntü sensörü, molibden disülfürden yapılmış fototransistörlere dayanmaktadır.
Biyomimetik görüntü sensörü dizisinin fotoğrafı (solda); görüntü sensörü ünitesinin şematik yapısı ve optik mikroskop görüntüsü (sağda)
"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'de Yang Chai ve meslektaşları, ışık algılama ve mantık işlemlerini gerçekleştirebilen dirençli bir anahtarlamalı bellek cihazını tanıttıkları optoelektronik bellek üzerine ilk makaleyi yayınladılar. Bir yıl sonra ekip, üç farklı işleve sahip yeni bir tür ışığa dirençli rastgele erişim belleği tanıttı. Spesifik olarak, yeni cihaz çevreyi algılayabilir, bilgileri bellekte saklayabilir ve nöromorfik görsel ön işleme işlemlerini gerçekleştirebilir.
"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.
CMOS teknolojisine dayalı-sanat-sanat görüntü sensörlerinin durumu, tipik olarak 70 dB'lik sınırlı bir dinamik aralığa sahiptir. Ancak bu dinamik aralık, doğal sahnelerin aydınlatma aralığından (280 dB) çok daha dardır.
"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.
Işık-uyarlanabilir görüş ve duyu terminallerinde geniş algılama aralığına sahip optoelektronik cihazlar çok değerli uygulamalara sahip olabilir. Örneğin, bilgisayarla görme araçlarının performansını artırmaya, robotlar veya diğer algılama sistemlerini oluşturmak için gereken donanım karmaşıklığını azaltmaya ve görüntü tanıma sistemlerinin doğruluğunu artırmaya yardımcı olabilirler.
Bununla birlikte, diğer araştırma ekipleri geçmişte farklı aydınlatma koşullarına uyum sağlayabilen optoelektronik cihazlar geliştirmiştir. Bununla birlikte, daha önce gösterilen cihazların çoğu, yalnızca retinanın ışık adaptasyon mekanizmasını taklit edebilir. Karanlığa uyum sürecinin simüle edilmesi şimdiye kadar daha zor oldu.
"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."
Görsel adaptasyon için retinadaki fotoreseptörlerin ve yatay hücrelerin yapay simülasyonu (karanlık adaptasyonu ve ışık adaptasyonu)
Yang Chai ve meslektaşları tarafından geliştirilen biyomimetik görüş sensörü, molibden disülfid olarak bilinen ultra ince yarı iletken malzemeden yapılmış fototransistörlere dayanmaktadır. Kullandıkları fototransistörler, farklı geçit voltajlarında kanal içinde elektronları yakalayabilen veya serbest bırakabilen çoklu yük tuzak durumlarına sahiptir.
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 ve meslektaşları, bir dizi testte biyonik görme sensörünü değerlendirdi ve insan retinasının işlevini etkili bir şekilde taklit edebileceğini ve hem karanlık hem de ışık adaptasyonunda dikkate değer sonuçlar elde ettiğini buldu. Ayrıca, daha önce önerilen çözümlere kıyasla önemli ölçüde daha yüksek bir algı aralığına (199 dB) sahiptir.
"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."
Gelecekteki çalışmalarda, araştırmacılar görüntü sensörünün performansını daha da iyileştirmeyi ve aynı zamanda sensör dizilerinden oluşan büyük-ölçekli sistemler üretmek için kullanmayı planlıyorlar. İdeal olarak, daha geniş bir görüş alanı sağlamak için bu sensör dizisini esnek veya yarı küresel bir alt tabaka üzerine kurmak istiyorlar.
"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."
GMKJ Technology, sağlıklı ve akıllı ışık kaynaklarıyla derinden ilgilenmekte ve piyasaya eksiksiz bir UVA UVB UVC LED, kızılötesi IR LED VCSEL ürünleri ve çözümleri sunmaktadır. Sağlıklı ve akıllı bir yaşam yaratmak için ışık teknolojisinin kullanımını ortaklaşa teşvik etmek için iç ve dış pazarlarda yüzlerce yüksek-kalite ortağına sahiptir. .
