创新的鸟瞰式相机专为增强物体检测而开发

发布时间：2024-07-09 15:33:34 栏目：生活

导读 鹰等猛禽的眼睛可以准确感知几公里外的猎物。是否有可能模仿鸟类的眼睛开发相机技术?研究人员开发出一种新型相机，其灵感来自鸟类眼睛的结...

鹰等猛禽的眼睛可以准确感知几公里外的猎物。是否有可能模仿鸟类的眼睛开发相机技术?



研究人员开发出一种新型相机，其灵感来自鸟类眼睛的结构和功能。由基础科学研究院 (IBS) 纳米粒子研究中心的 KIM Dae-Hyeong 教授领导的研究团队与光州科学技术研究院 (GIST) 的 SONG Young Min 教授合作，开发出一种专用于物体检测的钙钛矿基相机。

自然界中不同生物的眼睛都经过进化和优化，以适应其栖息地和生存环境。作为无数年来对高海拔生活和飞行环境的进化适应，鸟类的眼睛也具有独特的结构和视觉功能(图1a)。

动物眼球的视网膜上有一个小凹，称为中央凹，它能折射进入眼睛的光线。与人类眼睛的浅中央凹不同，鸟眼的中央凹很深，能在很大程度上折射入射光线。视锥细胞密度最高的区域位于中央凹内(图 1b)，使鸟类能够通过放大清晰地感知远处的物体(图 1c)。这种特殊的视觉被称为中央凹视觉。

人类的眼睛只能看到可见光，而鸟眼有四种视锥细胞，它们对紫外线 (UV) 和可见光(红、绿、蓝;RGB)都有反应。这种四色视觉使鸟类能够获得丰富的视觉信息，并在动态环境中有效地检测目标物体(图 1c)。

受这些功能的启发，IBS 研究团队设计了一种专门用于物体检测的新型相机，其中集成了人工中央凹和对 UV 和 RGB 均有响应的多光谱图像传感器(图 2a)。首先，研究人员通过模仿鸟类眼睛的深中央凹制作了人工中央凹(图 2b)，并通过光学模拟优化了设计。这使得相机可以放大远处的目标物体而不会产生图像失真。

随后，该团队利用钙钛矿(一种以优异的电学和光学特性而闻名的材料)来制造多光谱图像传感器。利用吸收不同波长的不同钙钛矿材料制造了四种类型的光电探测器。最终通过垂直堆叠四个光电探测器制造出多光谱图像传感器(图 2c 和 2d)。

第一合著者朴金宏博士表示：“我们还开发了一种新的转移工艺，以垂直堆叠光电探测器。通过使用我们之前研究中开发的钙钛矿图案化方法，我们能够制造出无需额外滤色镜即可检测 UV 和 RGB 的多光谱图像传感器。”

传统相机使用变焦镜头来放大物体，其缺点是只聚焦于目标物体而不聚焦其周围环境。另一方面，鸟瞰式相机既提供了中央凹区域的放大视图，又提供了周边区域的周围视图(图 3a 和 3b)。通过比较两个视野，鸟瞰式相机可以实现比传统相机更强大的运动检测能力(图 3c 和 3d)。此外，该相机更具成本效益且重量更轻，因为它无需额外的彩色滤光片即可区分 UV 和 RGB 光。

研究团队通过仿真验证了所开发相机的物体识别和运动检测能力。在物体识别方面，新相机的置信度得分为 0.76，约为现有相机系统置信度得分 0.39 的两倍。运动检测率也比现有相机系统提高了 3.6 倍，表明对运动的灵敏度显著增强。

金教授表示：“鸟类的眼睛已经进化到可以在飞行过程中快速准确地探测远处的物体。我们的相机可以用于需要清晰探测物体的领域，例如机器人和自动驾驶汽车。特别是，该相机在类似鸟类生活的环境中运行的无人机上具有巨大的应用潜力。”

这项创新的相机技术代表了物体检测领域的重大进步，为各个行业提供了大量潜在的应用。