Fri Sep 30 2022

09 30

Vision-systeem voor zowel land als water

08/08/2022

Door Ad Spijkers

Zuid-Koreaanse en Amerikaanse wetenschappers ontwikkelden een amfibisch kunstmatig vision-systeem met een panoramisch gezichtsveld.


     

Door hardware 'zicht' te geven, is een groot aantal toepassingen mogelijk gemaakt in zelfrijdende auto's, objectdetectie en gewasmonitoring. Maar in tegenstelling tot dieren kunnen synthetische vision-systemen niet evolueren onder natuurlijke habitats.

Onderzoekers van het Massachusetts of Technology, het Gwangju Institute of Science and Technology (in het zuiden van Zuid-Korea) en Seoul National University ontwikkelden een nieuw vision-systeem dat het zicht van de vioolkrab nabootst en zowel in water als in lucht kan functioneren.

Het vision-systeem van vioolkrabben is geëvolueerd door zowel onder water als op het land te leven. De platte hoornvliezen van de dieren, gecombineerd met een gegradeerde brekingsindex, gaan onscherpte-effecten tegen. Deze worden veroorzaakt door veranderingen in de externe omgeving – een grote hindernis voor andere samengestelde ogen. De krabben hebben ook een 3D omnidirectioneel gezichtsveld. Ze kunnen bijna alles tegelijk bekijken om aanvallen te vermijden en om te communiceren met soortgenoten.

Kunstmatig oog

De vioolkrab heeft amfibische beeldvormingscapaciteit en een extreem breed gezichtsveld. Alle huidige vision-systemen zijn beperkt tot halfronde systemen. Het nieuwe kunstmatige oog lijkt op een bolvormige, grotendeels onopvallende, kleine zwarte bal die bestaat uit een combinatie van materialen die licht verwerken en begrijpen.

De wetenschappers combineerden een reeks platte microlenzen met een gradueel brekingsindexprofiel met een flexibele fotodiodereeks met kamvormige patronen, allemaal verpakt op de 3D-bolvormige structuur. Deze configuratie betekent dat lichtstralen van meerdere bronnen altijd op dezelfde plek op de beeldsensor samenkomen, ongeacht de brekingsindex van de omgeving.

Zowel de amfibische als de panoramische beeldmogelijkheden werden getest in experimenten in de lucht en in het water. De onderzoekers brachten vijf objecten met verschillende afstanden en richtingen in beeld. Het systeem zorgde voor een consistente beeldkwaliteit en een gezichtsveld van bijna 360° in zowel land- als wateromgevingen. Het kon dus zowel onder water als op land zien, waar eerdere systemen beperkt waren tot een enkel domein.

Biomimetische camera's

Biomimetische camera's zijn niet nieuw. In 2013 werd een breedbeeldcamera gerapporteerd die de samengestelde ogen van een insect nabootste. In 2020 verscheen een breedbeeldcamera die een vissenoog nabootste. Hoewel deze camera's grote gebieden kunnen vastleggen, is het structureel moeilijk om 180° te overschrijden.

Recentelijker zijn commerciële producten met 360° zicht beschikbaar gekomen. Deze kunnen echter onhandig zijn, omdat ze beelden van twee of meer camera's moeten samenvoegen. Om het gezichtsveld te vergroten, is een optisch systeem nodig met een complexe configuratie dat beeldvervorming veroorzaakt. Het is een uitdaging om de focus te behouden wanneer de omgeving verandert, zoals in de lucht en onder water. dat de onderzoekers naar de vioolkrab keken.

Tijdens tests werden vijf objecten (dolfijn, vliegtuig, onderzeeër, vis en schip) op verschillende afstanden vanuit verschillende hoeken op het kunstmatige vision-systeem geprojecteerd. Het team voerde multi-laser spot-imagining experimenten uit; de kunstmatige beelden kwamen overeen met de simulatie. Om diep te gaan, dompelden ze het apparaat tot halverwege onder in water in een bak. De foto toont het 'oog' met een meetopstelling voor panoramische beeldvorming.

Vervolg

Het resultaat is een knap staaltje optische techniek en niet-vlakke beeldvorming. Aspecten van bio-geïnspireerd ontwerp en geavanceerde flexibele elektronica werden gecombineerd om mogelijkheden te bereiken die niet beschikbaar zijn in conventionele camera's. Een logische uitbreiding van het werk omvat het kijken naar biologisch geïnspireerde lichtaanpassingsschema's in de zoektocht naar hogere resolutie en superieure beeldverwerkingstechnieken.

De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.

Foto: Gwangju Institute of Science and Technology.