哈佛大学研制超小体积深度传感器 因受跳动的蜘蛛启发

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你见过最小的相机是多大,你见过的最小的3D深度1传感器又是多大?根据哈佛大学工程和应用科学学院(SEAS)消息,该学院教授Federico Capasso带领的研发小组研发出一款利用超透镜(超薄的纳米光子组件)的深度1传感器,其特点是可一次完成场景内所有深度1信息测量,因此体积还很小巧,未来应用场景包括:微型机器人、侵入式医疗设备、小型穿戴设备、轻便型AR眼镜/VR眼镜等产品。

当前,该论文也已在美国国家科学院院刊上进行发表,下面因此 人 就来一探究竟。

3D传感器的进化

目前应用到3D和深度1传感器的产品有只是 ,包括微软Xbox Kinect体感设备,其可识别人体动作从而实现各类的体验游戏操作,主只是 游戏娱乐方面;而最新的Azure Kinect DK也正式面向各种场景,包括医疗、超市、工业3D建模等众多领域。

在更大型的汽车中都会更多的车型支持,尤其是在自动驾驶车辆中,3D摄像头、LiDAR激光雷达等等,主只是 用于车辆附进环境的探测与感知。

最常见的还是在智能手机中,类事iPhone67iPhone67 X系列只是 采用了3D行态光方案,安卓设备都会只是 采用ToF方案,因此 人 更注重要的还是用于3D化人脸识别的加密解密操作。

不过,现有的哪几种产品,以智能手机为例,其能提供较大容量的电池和较高算力的芯片,因此不让担心功耗和性能不足英文等问题报告 。

但对于哪几种对功率和算力都会限的设备来说,类事超小型机器人、或智能手表等产品。因此 人 怎么出理 3D传感器的哪几种限制呢?

哈佛物理系博士候选人、论文第一作者Zhujun Shi表示:"当前的光学和视觉方案因此种类繁多,因此 人 基本上都会为不同的产品量身定制,而纳米技术与光学设计结合,将能够探索人造深度1传感器和视觉方案。

而这里提到的只是 将超透镜与超高效的算法相结合,即可一次完成深度1测量。

受跳动的蜘蛛所启发

人眼和多数深度1传感器获得深度1信息的辦法 是,将左右眼(或传感器)同時 拍摄的两幅略有差异的图像进行搜索对比,PS:可不都上能将手指放上去头上,交替睁开左右眼,这时你都会体会了吧。

因此需要将两张图片进行比对,因此 辦法 实际还是很繁琐的,人类另一一个多多强大的大脑可不都上能出理 哪几种任务,因此蜘蛛却没办法 。

经研究发现,蜘蛛因此进化出另一一个多多有效的深度1感知系统,这都都上能让它们准确地跳跃到是我本人身躯几倍远的地方,并对毫无戒备的目标发起攻击。

从上图了解到,因此蜘蛛用主眼注视着另一一个多多苍蝇,这时只有主眼视网膜的图像是清晰的,而另一只眼镜视网膜上的图像会显得模糊,因此 模糊变化的头上则直接隐藏着蜘蛛飞行距离的信息。

在计算机视觉系统中,类事因此 深度1计算辦法 被称作:离焦深度1测量法。

而目前,你上能用现代设备好友克隆因此 辦法 也可不都上能实现,因此需要大型光学摄像头和电动机械组件,另一一个多多摄像头可不都上能拍摄不同焦点的图片,不过这也限制了传感器的波特率和实际应用场景。

而这只是 超透镜发挥优势的地方。

实验室研究和结果

上图即超透镜设计方案,a表示波特率和相移与纳米柱深度1函数图;b表示超透镜俯视显微镜图像,比例尺2um;c表示b图中红色标注区域放大,展示了空间复用方案效果以及不同颜色的显示,比例尺5000nm;d表示超透镜轮廓的显微镜图像,比利时:500nm。

基于此元件和现有的组件进行结合,从而构建出另一一个多多超透镜深度1传感器原型,包括光学组件和机械组件的原型体积为4×4×10cm。当然因此 体积算不上小,但因此超透镜材料直径仅3mm,因此采用专用光电传感器则可大大降低整个传感器原型的尺寸。

上图a展示了不同距离下LED光源拍摄到的两幅图像模糊程度的变化,b是超透镜传感器深度1作为物距的已知函数。

上图为各种场景下的深度1图像展示,因此超透镜一次拍摄的方案,因此因此 方案可不都上能拍摄快速移动的物理。a是移动的果蝇;b是动态的水柱;c是半透明类的效果,烛光(类事往往无法通过激光雷达或ToF测量);d是印刷效果的文本的倾斜视角图像,深度1信息均匀。

上图是趋于稳定不同位置的蜡烛,所展现出的深度1图像效果

实验室内采用了由英特尔i5-85000K出理 器和NVIDIA Titan V显卡构成的计算机进行每秒5000帧以上的波特率生成500×500分辨率的深度1图像,因此通过优化代码和硬件要素,还可不都上能进一步提升波特率。综合每个输出的像素产生波特率图的值需要637 个FLOP,仅涉及25×25的附进像素,对比来看常规的双目立体算法有效输出每个像素约需7000个FLOP,另外知名光流算法Lucas-Kanade则需要25000个FLOP。

最终,根据实验室的一系列测试,超透镜深度1传感器基本被初步证实具备:体积小、重量轻、算力需求小、单个组件等优势,未来因此 将纳米光子学和高效算法结合的深度1测量方案有望应用在微瓦级因此 昆虫规模的平台上,类事微型机器人、可食入人体的传感设备等等。

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