ระบบกล้องที่เลียนแบบดวงตาของมนุษย์เพื่อการมองเห็นของหุ่นยนต์ที่ดีขึ้น

นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์จากมหาวิทยาลัยแมริแลนด์ได้พัฒนาระบบกล้องที่เป็นนวัตกรรมใหม่ที่อาจเปลี่ยนแปลงวิธีการที่หุ่นยนต์รับรู้และสื่อสารกับสภาพแวดล้อมของพวกมัน เทคโนโลยีนี้ได้รับแรงบันดาลใจจากการเคลื่อนไหวที่ไม่สมัครใจของดวงตาของมนุษย์ และมีเป้าหมายในการปรับปรุงความชัดเจนและเสถียรภาพของการมองเห็นของหุ่นยนต์

ทีมวิจัยที่นำโดยนักศึกษาระดับ博士 Botao He ได้เผยแพร่ผลการวิจัยของพวกเขาในบทความวิทยาศาสตร์ Science Robotics การประดิษฐ์ของพวกเขา คือ กล้องอีเวนต์ที่ได้รับการปรับปรุงด้วยไมโครแซคเคดที่เป็นเทียม (AMI-EV) ได้กล่าวถึงความท้าทายที่สำคัญในด้านการมองเห็นของหุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติ

ปัญหาในการใช้กล้องอีเวนต์ในปัจจุบัน

กล้องอีเวนต์เป็นเทคโนโลยีที่ค่อนข้างใหม่ในด้านหุ่นยนต์ ซึ่งมีความสามารถในการติดตามวัตถุที่เคลื่อนไหวได้ดีกว่ากล้องแบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม มันเผชิญกับการจำกัดที่สำคัญเมื่อต้องจับภาพที่ชัดเจนและไม่เบลอในสถานการณ์ที่มีการเคลื่อนไหวสูง

ความบกพร่องนี้ทำให้เกิดปัญหาอย่างมากสำหรับหุ่นยนต์ รถยนต์ไร้คนขับ และเทคโนโลยีอื่นๆ ที่พึ่งพาข้อมูลภาพที่แม่นยำและทันเวลาเพื่อนำทางและตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมของพวกมัน ความสามารถในการรักษาการมองเห็นของวัตถุที่เคลื่อนไหวและจับภาพข้อมูลภาพที่แม่นยำเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับระบบเหล่านี้ในการทำงานอย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ

แรงบันดาลใจจากชีววิทยา

เพื่อแก้ไขความท้าทายนี้ ทีมวิจัยได้หันไปหาชีววิทยา โดยเฉพาะดวงตาของมนุษย์ เพื่อหาแรงบันดาลใจ พวกเขาได้ศึกษาการเคลื่อนไหวที่ไม่สมัครใจของดวงตาที่เรียกว่าไมโครแซคเคด

การเคลื่อนไหวที่เล็กน้อยแต่ไม่หยุดนิ่งเหล่านี้ช่วยให้ดวงตาของมนุษย์สามารถรักษาการมองเห็นของวัตถุและรับรู้ข้อมูลภาพที่แม่นยำ เช่น สี ความลึก และเงา โดยการเลียนแบบกระบวนการทางชีววิทยานี้ ทีมวิจัยได้พยายามสร้างระบบกล้องที่สามารถบรรลุความเสถียรและความชัดเจนในด้านการมองเห็นของหุ่นยนต์ได้

UMIACS Computer Vision Laboratory

กล้องอีเวนต์ที่ได้รับการปรับปรุงด้วยไมโครแซคเคดเทียม (AMI-EV)

นวัตกรรมหลักของ AMI-EV คือความสามารถในการเลียนแบบไมโครแซคเคดทางกล ทีมวิจัยได้ใส่ปริซึมที่หมุนได้ภายในกล้องเพื่อเปลี่ยนทิศทางของแสง ที่จับได้โดยเลนส์ การเคลื่อนไหวที่หมุนอย่างต่อเนื่องนี้เลียนแบบการเคลื่อนไหวที่ไม่สมัครใจของดวงตาของมนุษย์ ทำให้กล้องสามารถเสถียรภาพของข้อมูลภาพที่บันทึกได้เช่นเดียวกับการมองเห็นของมนุษย์

เพื่อเสริมสร้างนวัตกรรมด้านฮาร์ดแวร์ ทีมวิจัยได้พัฒนาซอฟต์แวร์เฉพาะเพื่อชดเชยการเคลื่อนไหวของปริซึมภายใน AMI-EV ซอฟต์แวร์นี้รวมรูปแบบแสงเข้ากันเป็นภาพที่เสถียร ทำให้เลียนแบบความสามารถของสมองในการประมวลผลและตีความข้อมูลภาพจากไมโครแซคเคดที่ไม่หยุดนิ่งของดวงตา

การผสมผสานระหว่างนวัตกรรมด้านฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ทำให้ AMI-EV สามารถจับภาพที่ชัดเจนและแม่นยำได้แม้ในสถานการณ์ที่มีการเคลื่อนไหวสูง ซึ่งเป็นข้อจำกัดสำคัญของกล้องอีเวนต์ในปัจจุบัน

การประยุกต์ใช้ที่เป็นไปได้

แนวทางใหม่ในการจับภาพของ AMI-EV เปิดโอกาสให้ใช้งานในหลายๆ ด้าน เช่น:

• หุ่นยนต์และรถยนต์ไร้คนขับ: ความสามารถของกล้องในการจับภาพที่ชัดเจนและเสถียรในช่วงที่มีการเคลื่อนไหวสูงสามารถปรับปรุงความสามารถในการรับรู้และตัดสินใจของหุ่นยนต์และรถยนต์ไร้คนขับได้ ซึ่งนำไปสู่ระบบอัตโนมัติที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพมากขึ้น
• ความเป็นจริงเสมือนและเพิ่มความเป็นจริง: ในด้านเทคโนโลยีที่มีประสบการณ์แบบโต้ตอบ AMI-EV มีความเหมาะสมในการใช้งานด้วยความล่าช้าที่ต่ำและประสิทธิภาพที่ดีในสถานการณ์แสงสว่างที่รุนแรง กล้องสามารถทำให้ประสบการณ์แบบโต้ตอบมีความสมจริงมากขึ้นโดยการคำนวณการเคลื่อนไหวของหัวและร่างกายอย่างรวดเร็ว ลดการปวด头และปรับปรุงประสบการณ์ของผู้ใช้
• ความปลอดภัยและการเฝ้าระวัง: ความสามารถของกล้องในการตรวจจับการเคลื่อนไหวและเสถียรภาพของภาพสามารถปฏิวัติระบบความปลอดภัยและการเฝ้าระวังได้ อัตราเฟรมที่สูงขึ้นและภาพที่ชัดเจนในหลายๆ สภาพแวดล้อมสามารถนำไปสู่การตรวจจับภัยคุกคามที่แม่นยำและระบบเฝ้าระวังที่ดีขึ้น
• ดาราศาสตร์และการถ่ายภาพอวกาศ: ความสามารถของ AMI-EV ในการจับภาพการเคลื่อนไหวที่รวดเร็วพร้อมความชัดเจนที่ไม่เคยเห็นมาก่อนอาจมีคุณค่าในการสังเกตการณ์ดาราศาสตร์ เทคโนโลยีนี้สามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถจับภาพรายละเอียดของวัตถุและเหตุการณ์ทางดาราศาสตร์ได้แม่นยำมากขึ้น ซึ่งอาจนำไปสู่การค้นพบใหม่ๆ ในการสำรวจอวกาศ

ประสิทธิภาพและข้อดี

หนึ่งในคุณสมบัติที่น่าประทับใจที่สุดของ AMI-EV คือความสามารถในการจับภาพการเคลื่อนไหวที่หลายหมื่นเฟรมต่อวินาที ซึ่งเกินความสามารถของกล้องที่มีจำหน่ายทั่วไปซึ่งสามารถจับภาพได้ประมาณ 30 ถึง 1,000 เฟรมต่อวินาที

AMI-EV ไม่เพียงแต่เกินความสามารถของกล้องทั่วไปในด้านอัตราเฟรม แต่ยังสามารถรักษาความชัดเจนของภาพในช่วงที่มีการเคลื่อนไหวสูงได้ ซึ่งสามารถนำไปสู่การแสดงการเคลื่อนไหวที่ราบรื่นและสมจริงมากขึ้นในหลายๆ การใช้งาน

ไม่เหมือนกับกล้องแบบดั้งเดิม AMI-EV แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่ดีกว่าในสถานการณ์แสงสว่างที่ท้าทาย ซึ่งทำให้มันเหมาะสมสำหรับการใช้งานที่มีสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงหรือไม่แน่นอน เช่น ในรถยนต์ไร้คนขับหรือการถ่ายภาพอวกาศ

ผลกระทบในอนาคต

การ phát triểnของ AMI-EV มีศักยภาพในการเปลี่ยนแปลงอุตสาหกรรมหลายๆ อุตสาหกรรมนอกเหนือจากหุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติ การใช้งานของมันอาจขยายไปสู่ด้านการแพทย์ ซึ่งอาจช่วยให้การวินิจฉัยที่แม่นยำมากขึ้น หรือในด้านการผลิต ซึ่งอาจปรับปรุงกระบวนการควบคุมคุณภาพ

เมื่อเทคโนโลยีนี้ดำเนินต่อไป มันอาจเปิดทางให้ระบบที่มีความสามารถและความสามารถมากขึ้น รุ่นต่อๆ ไปอาจรวมการเรียนรู้ของเครื่องจักรเพื่อปรับปรุงการประมวลผลภาพและความสามารถในการรับรู้วัตถุได้ นอกจากนี้ การย่อขนาดเทคโนโลยีนี้อาจนำไปสู่การรวมเข้ากับอุปกรณ์ที่เล็กลง ซึ่งจะขยายการประยุกต์ใช้ของมันให้กว้างขึ้น

และระบบที่มีความสามารถ. รุ่นต่อๆ ไปอาจรวมการเรียนรู้ของเครื่องจักรเพื่อปรับปรุงการประมวลผลภาพและความสามารถในการรับรู้วัตถุได้ นอกจากนี้ การย่อขนาดเทคโนโลยีนี้อาจนำไปสู่การรวมเข้ากับอุปกรณ์ที่เล็กลง ซึ่งจะขยายการประยุกต์ใช้ของมันให้กว้างขึ้น