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    新技術“解鎖”傳感器“新技能”

    分類:行業資訊 2021-10-01 09:58:00

    今天,我們已經被數字傳感器包圍,這些傳感器構成了智能系統的關鍵部分。和人類需要耳聰目明一樣,智能系統也高度依賴靈敏的傳感器。


    遺憾的是,從照相機、麥克風,到地震儀、雷達和超聲波系統,數字傳感器會受到“飽和點”的影響,當信號過強或過弱時,傳感器無法準確捕捉光、聲、溫度、震動等信號。這不僅影響手機拍照的效果,還關乎智能系統的運行,甚至決定了自動駕駛的安全或手術的成敗。


    倫敦帝國理工學院和慕尼黑工業大學的研究人員結合新的硬件和算法,聯合開發出一項新技術,可以釋放數字傳感器的潛力,解鎖傳感器的“新技能”。近日,相關研究在 IEEE Transactions on Signal Processing 上發表。


       “飽和點”局限   


    今年 3 月 11 日凌晨,美國底特律西南部一個十字路口發生慘烈車禍,一輛特斯拉 Model Y 撞上一輛白色廂式貨車。


    詭異的是,從 2016 年至 2019 年,特斯拉自動駕駛系統操控的汽車 4 次嚴重交通事故均撞在白色廂式貨車上。有媒體甚至將白色廂式貨車稱作特斯拉自動駕駛系統的“天敵”。


    2016 年,美國弗洛里達州撞車事故發生后,特斯拉公司表示,當時外面天空明亮晴朗,這輛白色貨車正在轉向,在這種環境下,自動駕駛系統未能識別出這輛貨車……


    明亮晴朗的天空或是朦朧幽暗的晨光,讓人不能不聯想到傳感器的“飽和點”問題。


    “就像我們肉眼看太陽、看手電筒等亮光一樣,會覺得刺眼,感覺眼前白茫茫一片,但具體大小、形狀就無從判斷了?!敝袊茖W院西安光學精密機械研究所副研究員潘安對《中國科學報》說,“人眼作為一種傳感器,同樣存在這樣的‘飽和點’,這在學術上稱為‘動態范圍’?!?/span>


    潘安解釋說,對數字傳感器來說,動態范圍的單位為 bits,比如 8bits 指的是 0~255 的灰度值,16bits 指的是 0~65535 的灰度值。當光源過強過亮,數字傳感器就無法檢測這一飽和情況,只能統一用最大值表示。


    比如,當你在熱帶海灘上用手機給女友拍照時,過于燦爛的陽光總讓你的照片缺乏層次,甚至圖像會模糊一片?;蛘弋斈阌檬謾C錄制一段夜場演出時,會發現視頻有時候斷斷續續。這是因為攝像頭、麥克風等日常數字傳感器受到飽和點的影響,從而無法檢測到光、聲等信號。

    該論文作者之一、帝國理工學院電氣和電子工程系 Ayush Bhandari 博士表示,地震儀、雷達和超聲波系統等科學儀器,都會因飽和點問題,失去對震動、溫度和其他超出某些物理極限信號的準確捕捉能力。


    “地震儀上的傳感器用電磁感應方式監測聲波和彈性波,聲波或彈性波造成傳播介質的振動,監測振動頻率段一般是 0.001 Hz 至 500 Hz,超出此范圍則無法記錄地震波?!泵绹こ淘涸菏?、地球物理學家張捷對《中國科學報》說。


       “折疊”信號   


    電子傳感設備包含模數轉換器(ADC),可將來自攝像頭和麥克風的光、聲音等信息轉換為數字信號。然而,ADC 受電壓限制的約束,當輸入信號超過強時就會發生飽和。而飽和呈現出來的效果就是看起來“漂白”的圖像,或斷斷續續的音頻。


    在這項研究中,研究人員對使用“模數”采樣的 ADC 進行了試驗,以測試使用不同類型的電壓(稱為模數)是否可以幫助傳感器處理更大范圍的信息。他們構建了一個帶有內置算法的原型,一旦外部信號達刺激到極限,該算法就會觸發 ADC 切換到模數電壓,并將這些信號“折疊”成更小的信號。因此,研究人員能夠將模數測量轉換為現有傳感器可以讀取的,較小的數字信號。這種方法可以使 ADC 處理的信號范圍更廣,甚至可以提供“無限采樣”,準確捕獲幅度遠超 ADC 電壓限制的信號。


    “這項工作主要解決成像探測的動態范圍問題,提出了一個頻域的處理算法,可以獲得更高的動態范圍,類似我們手機拍攝的 HDR(高動態光照渲染功能)?!迸税舱f。


    蘋果手機的圖像處理較早采用了 HDR 技術,簡單說,手機在 HDR 模式下拍照時,會同時出現三張照片,一張是過度曝光的照片,一張是正常曝光的照片,一張是低曝光的照片,然后將這三張照片融合在一起,呈現出一張曝光效果最合適的照片。相比普通的圖像, HDR 技術可以提供更大的動態范圍和更多的圖像細節,更好地反映出真實環境中的視覺效果。


    “傳感器分感和傳兩部分,飽和點與探測感知器的物理極限、傳感器物理感知信息轉化為數字信號的能力,及信息傳輸能力有關?!?strong>中科院電子所一位研究人員說,“對于獲取目標信息而言,傳感器件的物理特性決定了探測能力的物理極限,但好的算法有助于充分利用器件獲取傳感信息的能力,從而捕捉到更全面的信息?!?/span>


       突破“極限”   


    該研究合作研究者之一、慕尼黑工業大學教授 Felix Krahmer 表示,該方法的關鍵特征是,如果信號使電壓超過閾值,硬件將信號從電壓切換到模數,“本質上是重置自身以允許更大范圍的信號”。


    “這種硬、軟件協同設計方法,為進一步研究開辟了新的前沿方法?!痹撜撐淖髡咧?、帝國理工學院學生 Thomas Poskitt 說,“所有的數字傳感器都有它們能探測到的最大和最小極限,但我們找到了一種方法來突破上限,而且,這種方法沒有理論上的最大值?!?/span>


    研究人員表示,此次發現克服了感知局限性,即數字傳感和不同學科合作解決常見問題的方式。該技術最終可以幫助開發傳感器,使用模成像傳感器處理超出人類感知范圍的信號,如紫外線、紅外光和其他高光譜波段。比如,當汽車駛出隧道的一瞬間,汽車上的攝像機會被突然出現的強光包圍,從而達到信號的“飽和點”,導致所見信息的丟失,并危及汽車的安全。利用這項技術,將來可以改進無人駕駛汽車上的攝像頭,從而給人們提供更安全的駕乘保障。


    研究人員表示,未來該技術可以應用在從消費者的日常攝影、科學研究、醫學成像到太空探索的諸多領域。


    “該技術還可應用于改善醫學檢查,如超聲成像和高動態范圍(HDR)X 射線成像,以及用于改進檢測颶風和其他自然危險的傳感器的精度和范圍?!?Ayush Bhandari 說,“此外,它還可以幫助改進對諸如機場行李和金屬材料和管道裂縫測試等物體的無損掃描?!?/span>


    “我對科學研究向來持樂觀態度,希望它能盡早運用到生活中,惠及全人類?!迸税舱f。


    文章來源:中國科學報

    作者:張雙虎

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