เซ็นเซอร์ตรวจจับภาพที่ได้รับแรงบันดาลใจจากจอประสาทตาสามารถปรับให้เข้ากับแสงโดยรอบได้มากขึ้น

ในการตรวจสอบสภาพแวดล้อมและนําทางโลกแห่งความเป็นจริงหุ่นยนต์ควรจะสามารถรับภาพและการวัดสภาพแวดล้อมภายใต้สภาพแสงพื้นหลังที่แตกต่างกัน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมานักวิจัยและวิศวกรทั่วโลกได้ทํางานเพื่อพัฒนาเซ็นเซอร์ขั้นสูงมากขึ้นเรื่อย ๆ เพื่อรวมเข้ากับหุ่นยนต์ระบบเฝ้าระวังหรืออุปกรณ์อื่น ๆ ที่สามารถรับรู้สภาพแวดล้อมของพวกเขา

จากข้อมูลของ Memes Consulting นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยโพลีเทคนิคฮ่องกงมหาวิทยาลัยปักกิ่งมหาวิทยาลัยยอนเซและมหาวิทยาลัย Fudan ได้พัฒนาเซ็นเซอร์การมองเห็นไบโอนิคชนิดใหม่ที่ใช้กลไกที่จําลองการทํางานของจอประสาทตาเทียมและสามารถใช้ในข้อมูลที่หลากหลายถูกรวบรวมภายใต้สภาวะแสง เซ็นเซอร์การมองเห็นไบโอนิคนี้ใช้โฟโตทรานซิสเตอร์ที่ทําจากโมลิบดีนัมซัลไฟด์

ภาพถ่ายของอาร์เรย์เซ็นเซอร์ตรวจจับการมองเห็นทางชีวภาพ (ซ้าย); โครงสร้างแผนผังของหน่วยเซ็นเซอร์ตรวจจับการมองเห็นและภาพกล้องจุลทรรศน์ออปติคอล (ขวา)

"ทีมวิจัยของเราเริ่มทํางานเกี่ยวกับหน่วยความจําออปโตอิเล็กทรอนิกส์เมื่อห้าปีก่อน" หยางไช่หนึ่งในนักวิจัยผู้พัฒนาเซ็นเซอร์ตรวจจับการมองเห็นกล่าว "อุปกรณ์ที่เกิดขึ้นใหม่นี้สามารถส่งสัญญาณที่ขึ้นอยู่กับแสงและขึ้นอยู่กับประวัติศาสตร์ทําให้สามารถรวมภาพได้ การสะสมสัญญาณที่อ่อนแอการวิเคราะห์สเปกตรัมและฟังก์ชั่นการประมวลผลภาพที่ซับซ้อนอื่น ๆ การรวมอเนกประสงค์ของการตรวจจับการจัดเก็บข้อมูลและการประมวลผลข้อมูลไว้ในอุปกรณ์เดียว"

ในปี 2018 Yang Chai และเพื่อนร่วมงานของเขาตีพิมพ์กระดาษแผ่นแรกเกี่ยวกับหน่วยความจําออปโตอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งพวกเขาแนะนําอุปกรณ์หน่วยความจําแบบสลับความต้านทานที่สามารถดําเนินการตรวจจับแสงและการดําเนินการตรรกะ หนึ่งปีต่อมาทีมงานได้เปิดตัวหน่วยความจําเข้าถึงแบบสุ่มแบบใหม่พร้อมฟังก์ชั่นที่แตกต่างกันสามแบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งอุปกรณ์ใหม่สามารถรับรู้สภาพแวดล้อมจัดเก็บข้อมูลในหน่วยความจําและดําเนินการประมวลผลภาพ neuromorphic ก่อน

"เราศึกษาแนวคิดของกระบวนทัศน์การประมวลผลแบบเซ็นเซอร์ใกล้และในเซ็นเซอร์ในปี 2020 และเผยแพร่มุมมองของเราในสาขานี้" หยางไช่กล่าวต่อว่า "การวิจัยใหม่เกี่ยวกับเซ็นเซอร์การมองเห็นทางชีวกลศาสตร์นี้สร้างขึ้นจากความพยายามก่อนหน้านี้ทั้งหมดของเรา"

ความเข้มของแสงธรรมชาติโดยรอบแตกต่างกันไปโดยมีช่วงรวม 280 เดซิเบล เมื่อจอประสาทตาของมนุษย์รู้สึกถึงสัญญาณแสงภายนอกมันจะปรับความไวแสงของตัวรับแสง (เช่นแท่งและกรวย) ตามความแรงของสัญญาณ ในที่สุดสิ่งนี้ช่วยให้ดวงตาของมนุษย์ค่อยๆปรับตัวให้เข้ากับระดับแสงที่แตกต่างกันทําให้สามารถมองเห็นได้อย่างชัดเจนทั้งในสภาพแวดล้อมที่มืดและสว่างซึ่งเป็นความสามารถที่เรียกว่า "การปรับตัวด้วยภาพ"

"ตัวอย่างเช่นเมื่อคุณเข้าสู่โรงภาพยนตร์มืดจากห้องโถงที่สว่างไสวคุณแทบจะมองไม่เห็นอะไรเลยในตอนแรก แต่หลังจากนั้นไม่นานในโรงภาพยนตร์มันจะง่ายต่อการมองเห็นสิ่งต่าง ๆ " หยางไช่อธิบาย "ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการปรับตัวแบบ scotopic ในทางกลับกันถ้าคุณไปจากโรงภาพยนตร์มืดไปเป็นกลางแจ้งที่มีแดดคุณจะรู้สึกตื่นตาตื่นใจมากในตอนแรกและใช้เวลาสักครู่ในการทําความคุ้นเคยกับการดูว่าเกิดอะไรขึ้นรอบตัวคุณ กระบวนการตรงข้ามกับการปรับตัวที่มืดเรียกว่าการปรับตัวด้วยแสง"

เป้าหมายหลักของ Yang Chai และผลงานล่าสุดของเพื่อนร่วมงานคือการสร้างเซ็นเซอร์ตรวจจับภาพที่ได้รับแรงบันดาลใจจากโครงสร้างและการทํางานของจอประสาทตาของมนุษย์ ในการทําเช่นนี้พวกเขาเริ่มต้นด้วยการศึกษาจอประสาทตาของมนุษย์ก่อนแล้วจึงพยายามออกแบบกลยุทธ์การรับรู้ที่จะช่วยให้พวกเขาสามารถจําลองการปรับตัวของภาพเทียม

เซนเซอร์ภาพอันล้ําสมัยที่ใช้เทคโนโลยี CMOS มักจะมีช่วงไดนามิกเรนจ์ที่จํากัดที่ 70 เดซิเบล อย่างไรก็ตาม ช่วงไดนามิกเรนจ์นี้แคบกว่าช่วงแสงของฉากธรรมชาติมาก (280 เดซิเบล)

นักวิจัยได้สํารวจการใช้รูรับแสงออพติคอลที่ควบคุมได้ เลนส์เหลว เวลาเปิดรับแสงที่ปรับได้ และอัลกอริธึมการเจิดจรัสในการประมวลผลหลังการถ่ายทํา" "อย่างไรก็ตามวิธีการเหล่านี้มักต้องการทรัพยากรฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่ซับซ้อน"

การปรับตัวที่มืดและแสงของอาร์เรย์เซ็นเซอร์ตรวจจับการมองเห็นทางชีวกลศาสตร์ (ก) แผนผังของการทดสอบการปรับตัวที่มืด: การรับรู้ภาพในที่แสงน้อยโดยใช้อาร์เรย์ 8 x 8 พิกเซลในสภาพแวดล้อมที่มืด (b) แผนผังของการทดสอบการปรับแสง: การรับรู้ภาพที่มีความสว่างสูงโดยใช้อาร์เรย์ 8 x 8 พิกเซลในสภาพแวดล้อมที่สดใส (c) กระบวนการปรับตัวที่มืดเพื่อระบุรูปแบบ "8" (d) กระบวนการถ่ายเทแสงเพื่อระบุรูปแบบ "8"

อุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่มีวิสัยทัศน์ที่ปรับแสงและช่วงการตรวจจับที่กว้างที่ขั้วประสาทสัมผัสอาจมีการใช้งานที่มีค่ามาก ตัวอย่างเช่นพวกเขาสามารถช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องมือคอมพิวเตอร์วิชั่นลดความซับซ้อนของฮาร์ดแวร์ที่จําเป็นในการสร้างหุ่นยนต์หรือระบบตรวจจับอื่น ๆ และปรับปรุงความแม่นยําของระบบจดจําภาพ

แม้ว่าทีมวิจัยอื่น ๆ ได้พัฒนาอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถปรับให้เข้ากับสภาพแสงที่แตกต่างกันในอดีต อย่างไรก็ตามอุปกรณ์ที่แสดงให้เห็นก่อนหน้านี้ส่วนใหญ่สามารถเลียนแบบกลไกการปรับแสงของจอประสาทตาเท่านั้น กระบวนการปรับตัวที่มืดได้พิสูจน์แล้วว่ายากที่จะจําลอง

"ยังมีหนทางอีกยาวไกลที่จะจําลองฟังก์ชั่นการปรับตัวด้วยภาพของจอประสาทตาอย่างเต็มที่" "เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้เราจึงออกแบบเซ็นเซอร์ตรวจจับภาพที่ใช้โฟโตทรานซิสเตอร์โดยใช้เซมิคอนดักเตอร์ที่บางเฉียบซึ่งสามารถปรับระดับการปรับตัวที่มืดและการปรับตัวของแสงในอุปกรณ์เดียวกันถูกควบคุมโดยใช้แรงดันไฟฟ้าประตูที่แตกต่างกัน ด้วยวิธีนี้เราจําลองตัวรับแสงและเซลล์แนวนอนในจอประสาทตาและประสบความสําเร็จในช่วงการตรวจจับ 199 เดซิเบล อุปกรณ์ที่ปรับให้เข้ากับการมองเห็นในเซ็นเซอร์ไบโอมิเมติก"

การจําลองเทียมของตัวรับแสงและเซลล์แนวนอนในจอประสาทตาเพื่อการปรับตัวด้วยภาพ (การปรับตัวที่มืดและการปรับตัวของแสง)

เซ็นเซอร์ตรวจจับการมองเห็นด้วยชีวมวลที่พัฒนาโดย Yang Chai และเพื่อนร่วมงานขึ้นอยู่กับโฟโตทรานซิสเตอร์ที่ทําจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อัลตร้าธินที่เรียกว่าโมลิบดีนัมซัลไฟด์ ทรานซิสเตอร์แสงที่พวกเขาใช้มีสถานะกับดักประจุหลายสถานะที่สามารถดักจับหรือปล่อยอิเล็กตรอนภายในช่องสัญญาณที่แรงดันไฟฟ้าประตูที่แตกต่างกัน

ในที่สุดรัฐเหล่านี้ช่วยให้นักวิจัยสามารถปรับแต่งการนําอุปกรณ์ของพวกเขาแบบไดนามิก ในทางกลับกันสิ่งนี้ทําให้พวกเขาสามารถจําลองกลไกการปรับตัวที่มืดและแสงของจอประสาทตาของมนุษย์ซึ่งจะขยายช่วงการรับรู้ของเซ็นเซอร์เกี่ยวกับสภาพแสงที่แตกต่างกัน

"เซ็นเซอร์การมองเห็นไบโอนิคของเรามีข้อดีและคุณสมบัติหลายประการ" "ประการแรกฟังก์ชั่นการปรับภาพจะดําเนินการในอุปกรณ์เดียวซึ่งช่วยลดรอยเท้าได้อย่างมาก ประการที่สองฟังก์ชั่นหลายอย่างสามารถใช้งานได้บนอุปกรณ์เดียว รวมถึงการตรวจจับแสงหน่วยความจําและการประมวลผล ในที่สุดการปรับตัวที่มืดและแสงภายใต้ความเข้มแสงที่แตกต่างกันสามารถทําได้โดยการควบคุมแรงดันไฟฟ้าของประตู"

Yang Chai และเพื่อนร่วมงานของเขาประเมินเซ็นเซอร์การมองเห็นไบโอนิคในชุดของการทดสอบและพบว่ามันสามารถเลียนแบบการทํางานของจอประสาทตาของมนุษย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพบรรลุผลลัพธ์ที่น่าทึ่งทั้งในการปรับตัวที่มืดและแสง นอกจากนี้ยังมีช่วงการรับรู้ที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสําคัญ (199 dB) เมื่อเทียบกับการแก้ปัญหาที่เสนอก่อนหน้านี้

"เซ็นเซอร์การมองเห็นของเราสามารถเสริมสร้างฟังก์ชั่นการมองเห็นของเครื่องลดความซับซ้อนของฮาร์ดแวร์และบรรลุประสิทธิภาพการจดจําภาพที่สูง" Yang Chai กล่าว "ข้อดีทั้งหมดเหล่านี้มีอยู่ในพื้นที่ต่างๆเช่นการขับขี่อัตโนมัติการจดจําใบหน้าและการผลิตในอุตสาหกรรมในสภาพแวดล้อมแสงที่ซับซ้อน โอกาสการใช้งานที่ยอดเยี่ยม"

ในการศึกษาในอนาคตนักวิจัยวางแผนที่จะปรับปรุงประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ตรวจจับการมองเห็นต่อไปในขณะที่ยังใช้มันเพื่อสร้างระบบขนาดใหญ่ที่ประกอบด้วยอาร์เรย์เซ็นเซอร์ เป็นการดีที่พวกเขาต้องการสร้างอาร์เรย์เซ็นเซอร์นี้บนพื้นผิวที่ยืดหยุ่นหรือครึ่งซีกโลกเพื่อให้มุมมองที่กว้างขึ้น

"พื้นที่หนึ่งที่ต้องการการปรับปรุงคือเวลาในการปรับตัวของเซ็นเซอร์การมองเห็นของเราเนื่องจากยังไม่เพียงพอที่จะรองรับการใช้งานด้านการมองเห็นของเครื่อง" นายหยางไชยกล่าวเสริมว่า "เป้าหมายของเราคือการลดเวลาในการปรับตัวให้อยู่ในระดับไมโครวินาที นอกจากนี้เครื่องชั่งอาร์เรย์เซ็นเซอร์วิสัยทัศน์จําเป็นต้องมีการปรับปรุงเพิ่มเติม เป้าหมายระยะใกล้ของเราสําหรับขนาดอาร์เรย์มากกว่า 100 x 100 พิกเซล ในที่สุดการรวมเซ็นเซอร์การมองเห็นและหน่วยหลังการประมวลผลที่แตกต่างกันรวมถึงวงจรควบคุมที่ใช้ซิลิคอนเป็นขั้นตอนที่สําคัญมากต่อการใช้งานจริง"

เทคโนโลยี GMKJ มีส่วนร่วมอย่างลึกซึ้งในแหล่งกําเนิดแสงที่ดีต่อสุขภาพและสมาร์ทให้ผลิตภัณฑ์ UVA UVB UVC LED อินฟราเรดและโซลูชั่นที่หลากหลายสู่ตลาด มีพันธมิตรที่มีคุณภาพสูงหลายร้อยรายในตลาดภายในประเทศและต่างประเทศเพื่อร่วมกันส่งเสริมการใช้เทคโนโลยีแสงเพื่อสร้างชีวิตที่มีสุขภาพดีและชาญฉลาด .