Dalam studi baru-baru ini, para peneliti dari Tiongkok telah mengembangkan sistem LiDAR-berskala chip yang meniru fokus mata manusia dengan secara dinamis memusatkan penginderaan-resolusi tinggi pada wilayah yang diminati (ROI) sambil mempertahankan kesadaran luas di seluruh bidang pandang.
Studi ini dipublikasikan di jurnalKomunikasi Alam.
Sistem LiDAR mendukung visi mesin pada-mobil self-driving, drone, dan robot dengan menembakkan sinar laser untuk memetakan pemandangan 3D dengan presisi milimeter. Mata mengemas sensor terpadatnya di fovea (titik penglihatan sentral yang tajam) dan mengalihkan pandangan ke hal yang penting. Sebaliknya, sebagian besar LiDAR menggunakan pancaran atau pemindaian paralel kaku yang menyebarkan resolusi seragam (sering kali kasar) ke mana pun. Meningkatkan detail berarti menambahkan lebih banyak saluran secara seragam, sehingga meningkatkan biaya, tenaga, dan kompleksitas.
Desain tim ini mencapai resolusi sudut "di luar-retina" sebesar 0,012 derajat dalam ROI-dua kali lebih tajam dari perkiraan batas mata yaitu 0,017 derajat. Artinya, sistem dapat membedakan titik-titik yang dipisahkan berdasarkan sudut terkecil, seperti memilih detail halus pada rambu jalan yang jauh. Teknologi ini mengalokasikan ulang saluran penginderaan paralel sesuai permintaan, menghindari penskalaan brute force yang mahal.
Phys.org berbicara dengan rekan penulis studi tersebut, Ruixuan Chen dan Xingjun Wang, dari Fakultas Elektronika Universitas Peking.
“Motivasinya berasal dari ketidaksesuaian praktis antara persepsi biologis dan mesin,” jelas para peneliti. "Mata manusia mencapai ketajaman dan efisiensi energi yang tinggi dengan mengalokasikan kembali perhatian-mempertahankan kesadaran luas sambil memusatkan sumber daya pada hal-hal yang penting. Sebaliknya, resolusi LiDAR sering kali dilakukan dengan 'lebih banyak saluran di mana saja', yang dengan cepat menjadi mahal dan-haus daya."
Masalah penskalaan
Sistem visi mesin telah berkembang melampaui kamera tradisional dengan menyertakan sensor LiDAR, yang memungkinkan pengukuran jarak tepat dan persepsi lingkungan 3D. Namun, tidak seperti kamera pasif, LiDAR memerlukan perangkat keras emisi dan penerimaan untuk setiap piksel, sehingga membatasi resolusi yang dapat dicapai.
Pendekatan yang ada saat ini untuk meningkatkan resolusi LiDAR menghadapi hambatan besar. Duplikasi saluran memberikan peningkatan resolusi linier namun memicu ledakan superlinier dalam hal kompleksitas, daya, dan biaya.
“Pertama, resolusi sangat erat kaitannya dengan jumlah saluran perangkat keras dan mekanisme pemindaian. Kedua, LiDAR adalah sensor aktif: setiap piksel secara efektif menghabiskan sumber daya transmisi dan penerimaan,” jelas para peneliti. "Hal ini membuat pemfokusan adaptif secara fundamental lebih sulit dibandingkan pencitraan pasif, karena Anda harus mengelola daya optik, sensitivitas penerima, dan bandwidth digitalisasi sekaligus memenuhi batasan-keselamatan mata."
Untuk LiDAR gelombang kontinu termodulasi frekuensi koheren, tantangan ini sangat akut. Setiap saluran yang koheren memerlukan kontrol frekuensi yang stabil, perangkat keras penerimaan yang canggih, dan kalibrasi yang ketat. Hal ini membuat duplikasi saluran secara besar-besaran jauh lebih sulit dibenarkan secara ekonomi.
Solusi biomimetik
Solusi para peneliti menggabungkan dua teknologi utama. Ini termasuk laser rongga -eksternal (ECL) yang gesit dengan rentang penyetelan lebih dari 100 nm, dan sisir frekuensi elektro-optik yang dapat dikonfigurasi ulang dan dibuat pada platform-film lithium niobate (TFLN) tipis.
ECL memberikan sinyal kicauan FMCW berkualitas tinggi untuk jangkauan yang koheren dan bertindak sebagai mekanisme kemudi dengan panjang gelombang yang dikontrol sinarnya. Dengan menyetel panjang gelombang pusat, sistem dapat dengan cepat mengarahkan arah pandangnya dalam bidang pandang yang luas.
Sisir elektro-optik kemudian menghasilkan beberapa pembawa FMCW paralel dari sumber laser berkicau yang sama. Yang terpenting, menyesuaikan kondisi konverter frekuensi radio akan mengubah jarak sisir.
"Inilah yang memungkinkan 'zoom'-kita dapat meningkatkan kepadatan titik di wilayah yang dipilih (pengambilan sampel lebih halus) atau memperkecilnya (pengambilan sampel lebih kasar) tanpa mengubah optik atau menambahkan saluran," tambah para peneliti.
Sistem ini menggunakan apa yang para peneliti sebut sebagai "mikro-paralelisme". Ini berarti menggunakan saluran fisik dalam jumlah sedang untuk mencapai jumlah garis pemindaian yang jauh lebih banyak melalui reposisi dinamis.
Validasi eksperimental
Tim mendemonstrasikan kemampuan sistem dalam tiga skenario eksperimental, mencapai resolusi sudut 0,012 derajat di wilayah fokus-melampaui batas nominal retina manusia.
Dalam pencitraan pemandangan statis, sistem menangkap simulasi lingkungan jalan dengan resolusi 54 kali 71 piksel untuk pemindaian bidang pandang penuh dan 17 kali 71 piksel untuk pemindaian dengan fokus lokal. Pemindaian terfokus ini meningkatkan kepadatan detail vertikal sebanyak empat kali lipat, mengungkap hambatan yang sebelumnya tidak terlihat, dengan 90% titik presisi di bawah 1,3 cm.
Para peneliti juga mendemonstrasikan-penggabungan kamera LiDAR, menciptakan awan titik berwarna yang menggabungkan geometri 3D presisi dengan data tampilan RGB. Saat membandingkan pemindaian standar dan pemindaian terfokus, penyelarasan histogram warna meningkat sekitar 10%, yang menunjukkan korespondensi yang lebih baik antara titik 3D dan piksel gambar.
“Dengan menggabungkan LiDAR dengan kamera, kami menghasilkan titik awan berwarna dan memperkaya representasi pemandangan, yang meningkatkan kemampuan interpretasi dan mendukung tugas persepsi hilir yang bergantung pada tekstur dan isyarat semantik,” jelas para peneliti.
Mungkin yang paling mengesankan, tim ini menangkap-penggambaran 4D-plus-waktu nyata-lemparan bola basket yang setiap titiknya menunjukkan posisi, kecepatan putaran, reflektifitas permukaan, dan warna secara bersamaan. Pada frekuensi 8 Hz pada bidang pandang yang luas, hal ini mengungkapkan pola gerakan yang tidak terlihat oleh LiDAR 3D standar.
Pekerjaan eksperimental ini mengungkapkan trade-off penting-di tingkat sistem yang menginformasikan jalur pengembangan di masa depan.
"Yang paling jelas adalah ketegangan antara resolusi sudut dan ruang pengukuran per{0}}saluran," kata para peneliti. "Dalam pembacaan koheren paralel, setiap saluran harus menempati pita listriknya sendiri yang tidak-tumpang tindih. Saat kami mengurangi laju pengulangan, kami memang dapat mendorong pengambilan sampel sudut lebih halus, namun percobaan menunjukkan bahwa hal ini juga memampatkan bandwidth pembacaan per-saluran."
Tim tersebut mengidentifikasi beberapa arah prioritas untuk memajukan teknologi menuju penerapan praktis. Hal ini mencakup integrasi monolitik yang lebih dalam pada platform TFLN, pengembangan sumber penyapu pita lebar ultra untuk meningkatkan resolusi jangkauan, dan penerapan kebijakan perhatian loop tertutup untuk persepsi yang didorong oleh peristiwa.
Eksperimen saat ini menggunakan sambungan serat menyebabkan ketidakstabilan polarisasi yang membatasi kemampuan klasifikasi material.
“Namun, kami memperkirakan integrasi monolitik akan menyelesaikan hambatan ini secara mendasar,” kata para peneliti. "Dengan beralih dari jalur serat yang tidak stabil ke pandu gelombang-chip yang terbatas, kita dapat mencapai pemulihan polarisasi yang stabil."
Sistem LiDAR bionik menawarkan aplikasi potensial yang mencakup kendaraan otonom, drone udara dan laut, robotika, dan sistem penglihatan neuromorfik. Selain LiDAR, sisir yang dapat dikonfigurasi ulang memungkinkan analisis spektral cepat untuk komunikasi optik, tomografi koherensi, penginderaan tekan, dan metrologi presisi, menurut para peneliti.
