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光學(xué)傳感器讓“機(jī)器視覺”走進(jìn)千家萬戶

作者： 2020年12月14日來源：全球化工設(shè)備網(wǎng) 瀏覽量：

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美國俄勒岡州立大學(xué)在新型光學(xué)傳感器研發(fā)上取得重大進(jìn)展。他們開發(fā)出一種新型光學(xué)傳感器，可更逼真地模仿人眼感知物體變化的能力。這一成果有望帶來圖像識(shí)別、機(jī)器人技術(shù)和人工智能等領(lǐng)域的重

　　美國俄勒岡州立大學(xué)在新型光學(xué)傳感器研發(fā)上取得重大進(jìn)展。他們開發(fā)出一種新型光學(xué)傳感器，可更逼真地模仿人眼感知物體變化的能力。這一成果有望帶來圖像識(shí)別、機(jī)器人技術(shù)和人工智能等領(lǐng)域的重大突破。

　　目前的信息處理算法和體系結(jié)構(gòu)變得越來越像人的大腦，但信息接收的方式仍是為傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的。為了發(fā)揮其全部潛能，更像人腦那樣“思考”的計(jì)算機(jī)需要更像人眼那樣“看”的圖像傳感器。

　　新型光學(xué)傳感器模仿人眼感知

　　光學(xué)傳感器是一種小型電子設(shè)備，各種光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光學(xué)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件。它主要是利用光的各種性質(zhì)，檢測(cè)物體的有無和表面狀態(tài)的變化等的傳感器。光學(xué)傳感器主要由發(fā)光的投光部和接受光線的受光部構(gòu)成。如果投射的光線因檢測(cè)物體不同而被遮掩或反射，到達(dá)受光部的量將會(huì)發(fā)生變化。受光部將檢測(cè)出這種變化，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)行輸出。

　　傳統(tǒng)的傳感技術(shù)，如數(shù)碼相機(jī)和智能手機(jī)中的芯片，更適合順序處理。每個(gè)傳感器都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幅度隨其接收的光強(qiáng)度而變化的信號(hào)，這意味著靜態(tài)圖像會(huì)使傳感器產(chǎn)生較為恒定的輸出電壓。

　　在新型視網(wǎng)膜形態(tài)傳感器中，利用了鈣鈦礦的獨(dú)特光電性能。鈣鈦礦置于厚度僅幾百納米的超薄層中充當(dāng)電容器，在光照下，它會(huì)從電絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體。因此傳感器在靜態(tài)條件下保持相對(duì)安靜，當(dāng)檢測(cè)到光照變化時(shí)，會(huì)記錄一個(gè)短而尖銳的信號(hào)，然后迅速恢復(fù)到其基線狀態(tài)。

　　這種新型傳感器還能與神經(jīng)形態(tài)計(jì)算機(jī)完美匹配。神經(jīng)形態(tài)計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不同，是一種模擬人腦的大規(guī)模并行網(wǎng)絡(luò)，為用于自動(dòng)駕駛汽車、機(jī)器人技術(shù)和高級(jí)圖像識(shí)別中的下一代人工智能提供支持。

　　光學(xué)傳感器的原理與應(yīng)用

　　光學(xué)傳感器是各種光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光學(xué)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件。光學(xué)檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此，光學(xué)式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。

　　發(fā)光二極管照亮采樣表面，對(duì)比度強(qiáng)烈的待采樣影像通過透鏡在cmos上成像，cmos將光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為矩陣電信號(hào)傳輸給dsp，dsp則將此影像信號(hào)與存儲(chǔ)的上一采樣周期的影像進(jìn)行比較分析，然后發(fā)送一個(gè)位移距離信號(hào)到接口電路。接口電路對(duì)由dsp發(fā)來的位移信號(hào)進(jìn)行整合處理，而已傳入計(jì)算機(jī)內(nèi)部的位移信號(hào)再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)程序的進(jìn)一步處理，最終在系統(tǒng)中形成光標(biāo)的位移。

　　光學(xué)傳感器可以用于檢測(cè)如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成分分析等；也可用來檢測(cè)如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。

　　其中，環(huán)境光傳感器近年來在消費(fèi)電子產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用，它可以用來感知周圍光線情況，并告知處理芯片自動(dòng)調(diào)節(jié)顯示器背光亮度，降低產(chǎn)品的功耗。例如，在手機(jī)、筆記本等移動(dòng)應(yīng)用中，顯示器消耗的電量高達(dá)電池總電量的30%，采用環(huán)境光傳感器可以最大限度地延長電池的工作時(shí)間。另一方面，環(huán)境光傳感器有助于顯示器提供柔和的畫面。當(dāng)環(huán)境亮度較高時(shí)，使用環(huán)境光傳感器的液晶顯示器會(huì)自動(dòng)調(diào)成高亮度。當(dāng)外界環(huán)境較暗時(shí)，顯示器就會(huì)調(diào)成低亮度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度。

　　光學(xué)傳感器助力機(jī)器視覺

　　無人機(jī)越來越聰明了！很多使用者都有這樣的感慨。從前操作無人機(jī)都要小心翼翼，唯恐突遇障礙物擋道，遭遇炸機(jī)之慘禍。現(xiàn)在的無人機(jī)則完全可以騰挪躲閃，及時(shí)回避飛行路徑中的各種障礙物，讓很多初學(xué)者也可以輕易駕馭。

　　變聰明的無人機(jī)有什么秘技嗎？答案就是有了光學(xué)傳感器的加持。通過光學(xué)傳感器，無人機(jī)不但能感知障礙物，還能知道自己和障礙物的距離，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的避障和繞障。機(jī)器視覺的概念源自于機(jī)器人領(lǐng)域，美國機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)其定義為：“通過光學(xué)的裝置和非接觸的傳感器自動(dòng)地接收和處理一個(gè)真實(shí)物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的裝置。”

　　正是有了光學(xué)傳感器，機(jī)器視覺早已不再是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的專屬名詞，并已經(jīng)輕松融入了我們的生活當(dāng)中，因此也有了“消費(fèi)級(jí)機(jī)器視覺”這一新興領(lǐng)域及概念。比如，進(jìn)入很多家庭的掃地機(jī)器人，配備了機(jī)器視覺技術(shù)，可以徹底清掃衛(wèi)生死角。小巧便捷的翻譯筆，因機(jī)器視覺技術(shù)，可以讀懂多種語言。而工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線上，依然使用機(jī)器視覺系統(tǒng)自動(dòng)完成高度精密的自動(dòng)化制造及對(duì)不良產(chǎn)品的檢測(cè)等。

　　而隨著AI應(yīng)用的廣泛落地，例如掃臉支付、人臉識(shí)別門禁更是以極快的速度滲透到了人們的工作和生活中。連商場(chǎng)里也不乏智能互動(dòng)電子屏、智能穿衣鏡等基于AI及機(jī)器視覺的交互類智能視頻設(shè)備的身影。總體來看，光學(xué)傳感器已借由“消費(fèi)級(jí)機(jī)器視覺”的紐帶與我們的生活完美契合在了一起。

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