Одной из наиболее сложных задач для современных систем компьютерного зрения остаются резкие изменения освещенности. Человек без труда адаптируется к переходу из темного помещения на ярко освещенную улицу или замечает объекты в свете встречных фар в ночное время. Для камер беспилотных автомобилей и роботов такие условия часто становятся источником критических ошибок. Исследователи из Университета штата Пенсильвания разработали инновационный электронный сенсор, который решает эту проблему, имитируя принцип работы человеческого глаза.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Nature Communications.
В основе разработки лежит биологический принцип функционирования сетчатки. За восприятие света в человеческом глазу отвечают палочки и колбочки: палочки крайне чувствительны к слабому свету, но при интенсивном освещении временно теряют свою активность, постепенно восстанавливая ее в темноте. Этот процесс позволяет глазу непрерывно подстраиваться под окружающую среду, сохраняя способность различать детали в широком диапазоне яркости.
Команда ученых под руководством профессора Ларри Чэна стремилась воспроизвести этот механизм в электронном устройстве. Для этого был создан специализированный фотомемристор — компонент, способный одновременно воспринимать свет и сохранять данные о предыдущих световых воздействиях.
Конструкция датчика базируется на двух материалах: проводящем полимере с гелеобразными свойствами и диоксиде титана. При попадании света диоксид титана генерирует электрический ток, который заставляет полимер поглощать или выделять воду в зависимости от уровня освещенности. Благодаря этому чувствительность сенсора меняется автоматически, в реальном времени подстраиваясь под внешние условия без участия внешних алгоритмов управления.
Для оценки эффективности технологии исследователи собрали матрицу из 16 сенсоров (размером 4×4) и интегрировали ее в нейронную сеть, создав прототип системы машинного зрения. В ходе испытаний, напоминающих проверку зрения, системе требовалось распознать светящуюся букву «F» на фоне с постоянно меняющейся яркостью.
После семи циклов обучения экспериментальная установка продемонстрировала точность более 95% даже в сложных условиях освещения. Это подтверждает, что система способна корректно распознавать объекты там, где обычные камеры теряют контрастность и допускают ошибки.
На текущем этапе каждый фотомемристор имеет размер около 0,5 мм. Разработчики отмечают, что такие элементы можно масштабировать в крупные массивы без изменения конструкции отдельных ячеек. Это создает предпосылки для разработки камер нового поколения, предназначенных для автономных транспортных средств и робототехники.
По мнению авторов, технология найдет применение не только в беспилотном транспорте, но и в промышленных роботах, работающих при переменном свете, а также в качестве вспомогательных устройств для людей с нарушениями зрения.
В настоящее время исследователи подали патентную заявку и приступили к следующему этапу проекта. В планах — создание мультимодальной системы, которая сможет одновременно обрабатывать визуальную информацию и данные о тактильных ощущениях, делая восприятие мира роботами максимально приближенным к человеческому.
