Bioinspireret kamera kan hjælpe selvkørende biler med at se bedre

Inspireret af det mantis rejer - blandt de mest komplekse i naturen - har forskere skabt en ny type kamera, der i høj grad kan forbedre bilernes evne til at opdage farer under udfordrende billedforhold.

Det nye kamera opnår denne bedrift ved at detektere en lysegenskab kendt som polarisering og med et dynamisk område på omkring 10, 000 gange højere end nutidens kommercielle kameraer. Dynamisk område er et mål for de lyseste og mørkeste områder, et kamera kan fange samtidigt. Med disse, kameraet kan se bedre under kørselsforhold som f.eks. overgangen fra en mørk tunnel til stærkt sollys eller under diset eller tåget vejr.

I Optica , The Optical Society's journal for high impact research, forskerne beskriver det nye kamera, som kunne masseproduceres for så lidt som $ 10 stykket. Forskerne siger, at det nye kamera ville gøre det muligt for biler at opdage farer, andre biler og mennesker tre gange længere væk end farvekameraer, der bruges på biler i dag.

"I et nyligt uheld med en selvkørende bil, bilen kunne ikke opdage en semi-truck, fordi dens farve og lysintensitet blandede sig med himlens i baggrunden, "sagde forskningsteamleder Viktor Gruev fra University of Illinois i Urbana-Champaign, USA. "Vores kamera kan løse dette problem, fordi dets høje dynamiske område gør det lettere at opdage objekter, der ligner baggrunden, og polariseringen af ​​en lastbil er anderledes end himmelens."

Ud over bilapplikationer, forskerne undersøger ved hjælp af kameraerne at opdage kræftceller, som udviser en anden lyspolarisering end normalt væv, og for at forbedre havforskning.

"Vi begynder at nå grænsen for, hvad traditionelle billedsensorer kan udrette, "sagde Missael Garcia, første forfatter til papiret. "Vores nye bioinspirerede kamera viser, at naturen har mange interessante løsninger, som vi kan drage fordel af til design af næste generations sensorer."

Efterligner rejesyn

Mantis rejer, en gruppering, der omfatter hundredvis af arter på verdensplan, har en logaritmisk reaktion på lysintensitet. Dette gør rejer følsomme over for en lang række lysintensiteter, giver dem mulighed for at opfatte meget mørke og meget lyse elementer inden for en enkelt scene.

For at opnå et tilsvarende højt dynamisk område for deres nye kamera, forskerne justerede den måde, kameraets fotodioder konverterer lys til en elektrisk strøm. I stedet for at betjene fotodioderne i reverse bias mode - som traditionelt bruges til billeddannelse - brugte forskerne fremad bias mode. Dette ændrede den elektriske strømudgang fra at være lineært proportional med lysindgangen til at have et logaritmisk svar som rejer.

For polariseringsfølsomhed, forskerne efterlignede den måde, som mantis rejer integrerer detektering af polariseret lys i sine fotoreceptorer ved at deponere nanomaterialer direkte på overfladen af ​​billedchippen, der indeholdt de fremadrettede fotodioder. "Disse nanomaterialer fungerer i det væsentlige som polarisationsfiltre på pixelniveau for at detektere polarisering på samme måde som mantis rejer ser polarisering, "sagde Gruev.

Selvom traditionelle billeddannelsessensorfremstillingsprocesser kan bruges til at fremstille sensorerne, de er ikke optimeret til at lave fotodioder, der fungerer i en fremadrettet bias. For at kompensere, forskerne udviklede yderligere behandlingstrin for at rydde op i billederne og for at forbedre signal -til -støj -forholdet.

Tager kameraet på vejen

Efter at have testet kameraet under forskellige lysintensiteter, farver og polarisationsbetingelser i laboratoriet, forskerne tog kameraet ind i feltet for at se, hvor godt det fungerede i skygger såvel som under lyse forhold. "Vi brugte kameraet under forskellige kørselsbelysningsforhold som tunneler eller tågete forhold, "sagde Tyler Davis, medlem af forskergruppen. "Kameraet håndterede disse udfordrende billedforhold uden problemer."

Forskerne arbejder nu med et firma, der fremstiller airbags for at se, om det nye kameras høje dynamiske rækkevidde og polarisationsbilledfunktion kan bruges til bedre at opdage objekter for enten at afværge en kollision eller anvende airbaggen et par millisekunder tidligere, end det er muligt i øjeblikket .

Udforskning af havet

Forskerne modtog også finansiering til at bruge det nye billeddannelsessystem til at lave små GoPro-lignende kameraer, der kunne bruges til at udforske havet. Selvom GPS -systemer som dem i mobiltelefoner ikke fungerer under vand, det nye kameras polarisationsdetekteringsevne gør det muligt at bruge polariseringen af ​​sollys i vand til at beregne stedskoordinater. Ud over, kameraets høje dynamiske område kunne bruges til at optage billeder af høj kvalitet under vand.

"Vi kommer fuldt ud ved at tage kameraet, som var inspireret af mantis rejer, til forskellige tropiske oceaner for at lære mere om, hvordan denne reje opfører sig i sin naturlige habitat, "sagde Gruev." De lever på lavt vand og begraver sig under koraller eller i en lille hul. Dette skaber en udfordrende billeddannelsessituation med et højt dynamisk område, fordi der er meget lys i vandet, men dårlige forhold inde i hullerne. "