Em um estudo recente, pesquisadores da China desenvolveram um sistema LiDAR em escala de chip-que imita a foveação do olho humano concentrando dinamicamente a detecção de alta-resolução em regiões de interesse (ROIs, na sigla em inglês), mantendo uma ampla percepção em todo o campo de visão.
O estudo está publicado na revistaComunicações da Natureza.
Os sistemas LiDAR potencializam a visão mecânica em carros-dirigidos, drones e robôs autônomos, disparando raios laser para mapear cenas 3D com precisão milimétrica. O olho concentra seus sensores mais densos na fóvea (ponto de visão central nítido) e muda o olhar para o que é importante. Por outro lado, a maioria dos LiDARs usa feixes paralelos rígidos ou varreduras que espalham resolução uniforme (geralmente grosseira) por toda parte. Aumentar os detalhes significa adicionar mais canais de maneira uniforme, o que aumenta os custos, o poder e a complexidade.
O design da equipe atinge uma resolução angular "além{0}}da retina" de 0,012 graus em ROIs-duas vezes mais nítidas que o limite aproximado de 0,017 graus do olho. Isto significa que o sistema consegue distinguir pontos separados pelos ângulos mais pequenos, como identificar pequenos detalhes num sinal de trânsito distante. Ele realoca canais de detecção paralelos sob demanda, evitando escalonamento de força bruta-dispendioso.
Phys.org conversou com os co-autores do estudo, Ruixuan Chen e Xingjun Wang, da Escola de Eletrônica da Universidade de Pequim.
“A motivação vem de uma incompatibilidade prática entre a percepção biológica e a da máquina”, explicaram os pesquisadores. "O olho humano alcança alta acuidade e eficiência energética ao realocar a atenção-mantendo uma ampla consciência enquanto concentra recursos no que importa. Por outro lado, a resolução LiDAR é frequentemente buscada por 'mais canais em todos os lugares', o que rapidamente se torna caro e consome muita energia-."
O problema de escala
Os sistemas de visão mecânica expandiram-se além das câmeras tradicionais para incluir sensores LiDAR, que permitem medição precisa de distância e percepção ambiental 3D. Ao contrário das câmeras passivas, no entanto, o LiDAR exige hardware de emissão e recepção para cada pixel, limitando a resolução alcançável.
As abordagens atuais para melhorar a resolução LiDAR enfrentam um gargalo crítico. A duplicação de canais proporciona ganhos de resolução linear, mas desencadeia explosões superlineares em complexidade, potência e custo.
“Primeiro, a resolução está fortemente acoplada à contagem de canais de hardware e à mecânica de varredura. Em segundo lugar, o LiDAR é um sensor ativo: cada pixel custa efetivamente recursos de transmissão e recepção”, explicaram os pesquisadores. "Isso torna o foco adaptativo fundamentalmente mais difícil do que na imagem passiva, porque você deve gerenciar a potência óptica, a sensibilidade do receptor e a largura de banda de digitalização enquanto atende às restrições de segurança-ocular."
Para LiDAR de onda contínua-modulada de frequência coerente, esse desafio é particularmente grave. Cada canal coerente requer controle de frequência estável, hardware de recepção sofisticado e calibração rigorosa. Isto torna a duplicação massiva de canais muito mais difícil de justificar economicamente.
Uma solução biomimética
A solução dos pesquisadores combina duas tecnologias principais. Isso inclui um laser de cavidade -externa (ECL, na sigla em inglês) ágil com faixa de sintonia de mais de 100 nm e pentes de frequência eletro{3}óptica reconfiguráveis construídos em plataformas-de niobato de lítio de filme fino (TFLN).
O ECL fornece sinais de chirp FMCW de alta-qualidade para alcance coerente e atua como um mecanismo de direção de-feixe controlado-de comprimento de onda. Ao ajustar o comprimento de onda central, o sistema pode redirecionar rapidamente sua direção de visão dentro de um amplo campo de visão.
O pente eletro{0}óptico gera então múltiplas portadoras FMCW paralelas a partir da mesma fonte de laser com sinal sonoro. Crucialmente, o ajuste das condições da unidade de radiofrequência altera o espaçamento do pente.
"Isso é o que permite o 'zoom' -podemos aumentar a densidade de pontos em uma região selecionada (amostragem mais fina) ou relaxá-la (amostragem mais grosseira) sem alterar a ótica ou adicionar canais", acrescentaram os pesquisadores.
O sistema emprega o que os pesquisadores chamam de "micro-paralelismo". Isso significa usar um número moderado de canais físicos para obter o equivalente a muito mais linhas de varredura por meio do reposicionamento dinâmico.
Validação experimental
A equipe demonstrou os recursos do sistema em três cenários experimentais, alcançando resolução angular de 0,012 graus em regiões focadas-ultrapassando o limite nominal da retina humana.
Na imagem de cena estática, o sistema capturou um ambiente rodoviário simulado com resoluções de 54 por 71 pixels para varreduras de campo-de{3}}visão completa e 17 por 71 pixels para varreduras focadas localmente. Essas varreduras focadas quadruplicaram a densidade de detalhes verticais, revelando obstáculos anteriormente invisíveis, com 90% dos pontos precisos abaixo de 1,3 cm.
Os pesquisadores também demonstraram a fusão de câmeras-LiDAR, criando nuvens de pontos coloridos que combinam geometria 3D precisa com dados de aparência RGB. Ao comparar digitalizações padrão e focadas, o alinhamento do histograma colorido melhorou em aproximadamente 10%, indicando melhor correspondência entre pontos 3D e pixels da imagem.
“Ao fundir o LiDAR com uma câmera, geramos nuvens de pontos coloridos e enriquecemos a representação da cena, o que melhora a interpretabilidade e suporta tarefas de percepção downstream que dependem de textura e pistas semânticas”, explicaram os pesquisadores.
Talvez o mais impressionante seja que a equipe capturou 4D-em tempo real-mais imagens-de um lançamento de basquete onde cada ponto mostrava posição, velocidade de rotação, refletividade da superfície e cor simultaneamente. A 8 Hz em um amplo campo de visão, isso revelou padrões de movimento invisíveis ao LiDAR 3D padrão.
O trabalho experimental revelou importantes compensações-no nível do sistema que informam caminhos de desenvolvimento futuros.
"O mais claro é a tensão entre a resolução angular e o espaço de medição por{0}}canal", observaram os pesquisadores. "Em nossa leitura coerente paralela, cada canal deve ocupar sua própria banda elétrica não{2}}sobreposta. Quando reduzimos a taxa de repetição, podemos de fato aumentar a amostragem angular, mas o experimento mostra que isso também comprime a largura de banda de leitura por-canal."
A equipe identificou diversas direções prioritárias para o avanço da tecnologia em direção à implantação prática. Isso inclui integração monolítica mais profunda em plataformas TFLN, desenvolvimento de fontes de varredura de banda ultra{{1}larga para melhor resolução de alcance e implementação de políticas de atenção de-circuito fechado para percepção-orientada por eventos.
Experimentos atuais usando links de fibra introduzem instabilidade de polarização que limita as capacidades de classificação de materiais.
“No entanto, prevemos que a integração monolítica resolverá fundamentalmente este gargalo”, disseram os pesquisadores. "Ao mudar de caminhos de fibra instáveis para guias de onda confinados no-chip, podemos alcançar uma recuperação de polarização estável."
O sistema LiDAR biônico oferece aplicações potenciais que abrangem veículos autônomos, drones aéreos e marítimos, robótica e sistemas de visão neuromórfica. Além do LiDAR, os pentes reconfiguráveis permitem análise espectral rápida para comunicações ópticas, tomografia de coerência, detecção compressiva e metrologia de precisão, de acordo com os pesquisadores.
