בהשראת החזון המדהים של חתולים, חוקרים יצרו מערכת ראייה מלאכותית חדשה המאפשרת לרובוטים לזהות ולעקוב אחר עצמים גם בסביבות מאתגרות, פורצת דרך בתחום הרובוטיקה והמערכות האוטונומיות.
מחקר: ראייה מלאכותית בהשראת עין חתולית לשבירת הסוואה משופרת בתנאי אור מגוונים. קרדיט תמונה: kholywood / Shutterstock
במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת התקדמות המדעחוקרים מינפו היבטים מכריעים של עיניים חתוליות, במיוחד ה-tapetum lucidum והאישונים המוארכים שלהם (VP), כדי לפתח מערכת ראייה מלאכותית חד-קולרית המסוגלת לגלות, לזהות ושבירת הסוואה של אובייקטים ברמת החומרה. בעוד שנוסו יישומים בעזרת תוכנה של זיהוי ומעקב אובייקטים, הם דורשים דרישות אנרגיה וחישוב משמעותיות, המחייבות חידושים ברמת החומרה.
מערכת הראייה הנוכחית משתמשת בצמצם אליפטי דמוי חריץ מותאם אישית (בהשראת עומק השדה הא-סימטרי של VP של חתולים) כדי להגביר את מיקוד האובייקט ולאפשר עומק שדה א-סימטרי, לשפר את הניגודיות בין אובייקט המטרה לרקע שלו. מערך פוטודיודות סיליקון נוסף בהשראת tapetum lucidum עם מחזירי מתכת מעוצבים משפר את הראייה בתאורה נמוכה. יחד, ההתקדמות הללו פותחות את הדלתות לדור חדש של רובוטים ניידים שיכולים לזהות, לזהות ולעקוב אחר מטרות בדיוק משופר משמעותית, אפילו בסביבות המשתנות באופן דינמי עם תנאי תאורה משתנים.
רֶקַע
המאה ה-21 הייתה עדה להתקדמות חסרת תקדים ברובוטיקה ואוטומציה, וכתוצאה מכך נהירה הדרגתית של רובוטיקה על פני יישומים מדעיים, רפואיים, תעשייתיים וצבאיים. בעוד שפריסות למידת מכונה מבוססת תוכנה (ML) ובינה מלאכותית (AI) חוללו מהפכה באוטומציה הרובוטית, ההתקדמות ברמת החומרה נותרה כבולה על ידי המגבלות של החלטות תכנון וייצור קונבנציונליות.
דוגמה אידיאלית לאמור לעיל היא אסטרטגיות פעולה מבוססות חזון. מכשירי לכידת תמונות קונבנציונליים (למשל, מצלמות) עברו אופטימיזציה להקלטת נתוני תמונה (למשל, עוצמת אור, צבע וצורת אובייקט), אך דרשו קלט משתמש כדי להתאים את גודל הצמצם ומשך החשיפה לאובייקטי יעד הממוקדים בתאורה המשתנה באופן דינמי. יישומי רובוטיקה מודרניים, במיוחד אלה המשמשים למעקב, אינם יכולים להסתפק ברכישת נתוני תמונה פסיבית. במקום זאת, הם צריכים לחלץ ולנתח נתוני תמונה בזמן אמת ולהשתמש במידע זה כדי להנחות את התנועה הבאה שלהם.
"עם זאת, משימות אלה הופכות לקשות באופן מהותי בסביבות ותנאי תאורה מגוונים (למשל, פנימי וחיצוני ובשעות היום והלילה). שונות זו עלולה להשפיע קשות על הניגודיות בין אובייקטי המטרה והרקע שלהם, בעיקר עקב רווית הפיקסלים בתנאי בהיר וזרם צילום נמוך בתנאי חושך. אובייקטים יוצרים לעתים קרובות גבולות לא ברורים עם הרקע שלהם, מהווים אתגרי זיהוי והבחנה".
טכנולוגיות ראייה ממוחשבת מבוססות תוכנה, לרבות טווח דינמי גבוה (HDR), שבירת הסוואה מבוססת ראייה דו-עינית ועיבוד שלאחר AI בסיוע בינה מלאכותית, התייחסו חלקית למגבלות החומרה של יישומי הרובוטיקה של ימינו. לרוע המזל, טכנולוגיות אלו דורשות השקעה חישובית ואנרגטית משמעותית (כוח/חשמל), ומגדילות את הגודל והעלויות התפעוליות של מערכות רובוטיות שנוצרו כתוצאה מכך. לפיכך, הכרחי לעתיד האוטומציה של הרובוטים שפותחה חומרה המסוגלת לזיהוי עצמים ללא סיוע, שבירת הסוואה וביצועים מיטביים במגוון רחב של תנאי תאורה.
"…בעלי חיים התאימו את עצמם לסביבות מורכבות מבחינה אקולוגית לצורך הישרדותן. כתוצאה מכך, פותחו מערכות ראייה ייחודיות המותאמות לבתי הגידול שלהם באמצעות אבולוציה ארוכת טווח. מערכות ראייה טבעיות אלו יכולות להציע פתרונות פוטנציאליים להתמודדות עם מגבלות של מערכות ראייה מלאכותיות קונבנציונליות, במונחים של עומק שדה (DoF), שדה ראייה (FoV) וסטיות אופטיות".
לגבי המחקר
במחקר הנוכחי, חוקרים פיתחו ובדקו מערכת ראייה מלאכותית המחקה את העין החתולית. המערכת מורכבת משני מרכיבים עיקריים: עדשה אופטית בהתאמה אישית המסוגלת לשנות פתחים בין פתחים אליפטיים, קטנים ומעגליים עם פתיחה מלאה ומערך פוטודיודות סיליקון חצי כדורי חדש עם מחזירי מתכת (כסף) מעוצבים (HPA-AgR).
מערך הפוטודיודות נוצר על ידי ציפוי ספין של פרוסת סיליקון דו חמצני (SiO₂) בתמיסת חומצה פוליאמית המכילה שכבת פוליאמיד דקה במיוחד (PI) שעליה הונח רפלקטור בדוגמת בטכניקת חריטה רטובה (100 ננומטר Ag). הרפלקטורים המובנים תוכננו כדי לדמות את תכונות החזר האור של ה- tapetum lucidum, תוך שיפור קליטת האור בתנאי תאורה עמומים. הביצועים של הפוטודיודה שהתקבלה נמדדו באמצעות מנורת הלוגן בטמפרטורה רחבה (3100 K), תחנת בדיקה (מערך חיישני תמונה + מנתח התקן מוליכים למחצה), ולוח רכישת נתונים (DAQ).
מעקב קרני מבוסס מונטה קרלו שימש להערכת ביצועי שבירת הסוואה של מערכת הראייה בהשראת חתולים לעומת מערכות אופטיות קונבנציונליות (אישון עגול (CP)) כנגד תאורה משתנה של 0-500 לומן.
ממצאי המחקר
בעוד שמערכות CP מונוקולריות (כולל עיניים אנושיות) נאבקות להבדיל בין אובייקט המטרה לרקע שלו (רווית פיקסלים) בתרחישים בהירים במיוחד, עיצוב הצמצם הא-סימטרי של עיניים חתוליות (Veline VP) ובהרחבה, מערכת הראייה הנוכחית יכולה להתאים מיקוד בין מישורים שונים (טנגנציאליים וסגיטליים) ובכך מקזז באופן מהותי את עוצמת האור ומאפשר שבירת הסוואה.
העיצוב גם מאפשר מיקוד משופר על עצמים במרחקים שונים, ומפחית עוד יותר את הרעש האופטי מאלמנטים ברקע. השוואות בין המערכות הנוכחיות בהשראת VP למערכות דמויות CP קונבנציונליות מדגישות את היעדר שבירת הסוואה של האחרונה, במיוחד בתנאי אור בהיר. הדבר נובע בעיקר מאסטיגמציה שנצפתה בין מישורים משיקים לסגיטליים, המטשטשת את המטרה והרקע שלה. לעומת זאת, מערכת ה-VP יכלה להבחין בקלות בין המטרה לאובייקט ללא קשר לעוצמת האור הסביבתי. יתר על כן, בעוד ש'נעולה' על מטרה, עיצוב מערכת הראייה מטשטש את הרקע של המטרה, מפחית את כמות הרעש הלא אינפורמטיבי ובכך מוריד את העומס החישובי הנדרש לניתוח בזמן אמת.
"למרות שראייה ממוחשבת ואלגוריתמי למידה עמוקה שיפרו משמעותית את הטיפול במטרות רועשות, מערכת הראייה בהשראת עין החתול מספקת יתרונות מהותיים שמקורם בחומרה. הראייה המלאכותית בהשראת העין החתולית גורמת מטבעה לטשטוש רקע ושבירת הסוואה, מה שיכול להפחית באופן ניכר את העומס החישובי".
באופן דומה, בעוד שמערכות CP חד-קולריות משיגות ביצועים גבוהים לשבירת הסוואה בתנאי תאורה חלשה (אישונים פתוחים לרווחה), לעיתים קרובות הן סובלות מזרם פוטו נמוך בתרחישים חשוכים. האופטיקה החתולית (והאופטיקה המלאכותית הנוכחית) עוקפת את המגבלה הזו על ידי לא רק הרחבת ה-VP שלהם באופן מלא, אלא גם משתמשת ב-tapetum lucidum שלהם (או, במקרה המלאכותי, מחזירי המתכת שלהם) כדי להחזיר אור סביבתי על האישון, מה שמגביר עוד יותר את המטרה של תאורה נמוכה. רְכִישָׁה. יש לציין שהשוואות בין אופטיקה CP קונבנציונלית לאלו הנוכחיות בהשראת VP גילתה שהמערכת החדשה יעילה ב-52-58% בקליטת תמונות מאשר טכנולוגיות מסורתיות.
למרות ההתקדמות הללו, החוקרים ציינו מגבלה עיקרית אחת של המערכת שלהם: שדה הראייה הצר שלה (FoV). יהיה צורך בחידושים בתנועת המערכת האופטית (אולי בהשראת תנועות ראשי החתולים) לפני שניתן יהיה לשלב מערכות אלו ברובוטיקה אוטונומית.
מסקנות
המחקר הנוכחי מדווח על פיתוח ואימות של מערכת ראייה חדשה בהשראת עין חתולית. המערכת מורכבת מעדשת צמצם משתנה ומערך פוטודיודות סיליקון מתכתי להשגת מעקב אובייקטים חסר תקדים ברמת החומרה ושבירת הסוואה ללא קשר לעוצמת האור הסביבתי. בעוד שמערכת הראייה הזו סובלת מ-FoV נמוך, התקדמות בתנועה הרובוטית עשויה לאפשר את שילובה ברובוטיקה אוטונומית, ולאפשר דור חדש של מערכות מעקב ומעקב בלתי מאוישות.
