Ar ta uola pajudėjo, ar tai voverė, kertanti kelią? Stebėti objektus, kurie labai panašūs į juos supančią aplinką, yra didelė daugelio autonominių regėjimo sistemų problema. AI algoritmai gali išspręsti šią maskavimo problemą, tačiau jiems reikia laiko ir skaičiavimo galios. Nauja Pietų Korėjos mokslininkų sukurta kamera – greitesnis sprendimas. Fotoaparatas įkvėpimo semiasi iš katės akių, naudodamas dvi modifikacijas, leidžiančias atskirti objektus nuo jų fono net naktį.
„Ateityje… įvairiems protingiems robotams reikės sukurti regėjimo sistemas, kurios geriausiai tiktų jų konkrečioms vizualinėms užduotims“, – sakoma. Jaunojo min dainaelektros inžinerijos ir informatikos profesorius Gwangju mokslo ir technologijos institute ir vienas iš fotoaparato dizainerių. Naujausi Song tyrimai buvo skirti naudoti „puikiai pritaikytas“ gyvūnų akis, siekiant pagerinti fotoaparato aparatinę įrangą, leidžiančią sukurti specializuotas kameras įvairiems darbams atlikti. Pavyzdžiui, žuvų akys turi platesnius matymo laukus dėl išlenktos tinklainės. Jis sako, kad katės gali būti dažnos ir lengvai nepastebimos, tačiau jų akys iš tikrųjų suteikia daug įkvėpimo.
Ši kamera nukopijavo dvi adaptacijas iš kačių akių: vertikalius vyzdžius ir atspindinčią struktūrą už tinklainės. Kartu tai leido kamerai 10 procentų tiksliau atskirti užmaskuotus objektus nuo jų fono ir 52 procentais efektyviau sugerti gaunamą šviesą.
Vertikalaus vyzdžio naudojimas fokusavimui susiaurinti
Nors įprastos kameros gali aiškiai matyti vaizdo priekinį planą ir foną, išpjauti katės vyzdžiai fokusuoja tiesiai į taikinį, neleidžiant jam susilieti su aplinka. Kim ir kt./Science Advances
Įprastose kamerų sistemose, kai yra pakankamai šviesos, diafragma – fotoaparato vyzdžio versija – yra maža ir apskrita. Ši struktūra leidžia pasiekti didelį lauko gylį (atstumą tarp artimiausių ir tolimiausių sufokusuotų objektų), aiškiai matyti ir priekinį planą, ir foną. Priešingai, katės akys dienos metu susiaurėja iki vertikalaus vyzdžio. Tai nukreipia dėmesį į taikinį, aiškiau atskirdamas jį nuo fono.
Tyrėjai 3D atspausdino vertikalų plyšį, kurį naudojo kaip savo fotoaparato diafragmą. Jie išbandė vertikalų plyšį naudodami septynis kompiuterinio matymo algoritmus, skirtus judantiems objektams sekti. Vertikalus plyšys padidino kontrastą tarp tikslinio objekto ir jo fono, net jei jie buvo vizualiai panašūs. Jis pranoko įprastą fotoaparatą penkiuose iš septynių bandymų. Dviejų bandymų metu jis buvo blogesnis nei įprastas fotoaparatas, dviejų kamerų tikslumas buvo 10 procentų vienas nuo kito.
Atšvaito naudojimas papildomai šviesai surinkti
Katės naktį mato aiškiau nei įprasti fotoaparatai dėl jų akyse esančių atšvaitų, kurie suteikia papildomos šviesos į tinklainę.Kim ir kt./Science Advances
Katės akys turi įmontuotą atšvaitą, vadinamą tapetum lucidum, kuris yra už tinklainės. Jis atspindi šviesą, praeinančią per tinklainę, todėl gali apdoroti tiek gaunamą, tiek atspindėtą šviesą, suteikdamas katinams geresnį naktinio matymą. Šį biologinį prisitaikymą galite pamatyti patys, naktį žiūrėdami į katės akis: jos švytės.
Tyrėjai sukūrė dirbtinę šios biologinės struktūros versiją, po kiekvienu fotoaparate esančiu fotodiodu pastatydami sidabrinį atšvaitą. Fotodiodai be reflektoriaus generuodavo srovę, kai ant jų krito daugiau nei 1,39 vatai į kvadratinį metrą šviesos, o fotodiodai su reflektoriumi, įjungiami 0,007 W/m2 šviesos. Tai reiškia, kad fotodiodas gali sukurti vaizdą su maždaug 1/200 šviesos.
Kiekvienas fotodiodas buvo dedamas virš reflektoriaus ir sujungtas metaliniais elektrodais, kad būtų sukurtas išlenktas vaizdo jutiklis.Kim ir kt./Science Advances
Siekdami sumažinti regėjimo aberacijas (kameros objektyvo šviesos fokusavimo netobulumus), Song ir jo komanda nusprendė sukurti lenkto vaizdo jutikliskaip žmogaus akies užpakalinė dalis. Esant tokiai sąrankai, standartinis vaizdo jutiklio lustas neveiks, nes jis yra standus ir plokščias. Vietoj to jis dažnai remiasi daugybe atskirų fotodiodų, išdėstytų ant lenkto pagrindo. Dažna tokių lenktų jutiklių problema yra ta, kad jiems reikalingi itin ploni silicio fotodiodai, kurie iš prigimties sugeria mažiau šviesos nei standartinio vaizdavimo įrenginio pikseliai. Tačiau už kiekvieno dirbtinės katės akies fotodiodo esantys atšvaitai tai kompensavo, o mokslininkai galėjo sukurti lenktą vaizdą neprarandant šviesos sugerties.
Kartu vertikalūs plyšiai ir atšvaitai atvedė prie fotoaparato, kuris tamsoje galėjo matyti aiškiau ir kurio neapgauna kamufliažas. „Šias dvi charakteristikas pritaikius autonominėms transporto priemonėms ar intelektualiems robotams, galima natūraliai pagerinti jų gebėjimą aiškiau matyti objektus naktį ir tiksliau nustatyti konkrečius taikinius“, – sako Song. Jis numato, kad ši kamera bus naudojama savarankiškai važiuojantiems automobiliams ar dronams sudėtingose miesto aplinkose.
Song laboratorija ir toliau naudoja biologinius sprendimus dirbtinio regėjimo problemoms spręsti. Šiuo metu jie kuria prietaisus, imituojančius, kaip smegenys apdoroja vaizdus, ir tikisi vieną dieną juos sujungti su savo biologiškai įkvėptomis kameromis. Tikslas, sako Song, yra „mėgdžioti gamtos nervų sistemas“.
Song ir jo kolegos darbas buvo paskelbtas šią savaitę žurnale Mokslo pažanga.