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基于事件的薄膜視覺傳感器,增強(qiáng)多光譜感知能力
來源:研精究微  瀏覽次數(shù):1576  發(fā)布時(shí)間:2025-03-20

動(dòng)態(tài)檢測(cè)對(duì)于智能視覺系統(tǒng)來說至關(guān)重要,可以賦能自動(dòng)駕駛汽車和高級(jí)監(jiān)控等應(yīng)用?;谑录囊曈X傳感器可將光照變化轉(zhuǎn)化為稀疏的事件尖峰信號(hào),實(shí)現(xiàn)低數(shù)據(jù)冗余的高效動(dòng)態(tài)檢測(cè)。然而,目前基于事件的視覺傳感器通常采用簡(jiǎn)化的光敏電容器結(jié)構(gòu),特別是在光譜響應(yīng)方面面臨著諸多局限性,導(dǎo)致其在多光譜場(chǎng)景中難以有效獲取信息。


近日,北京工業(yè)大學(xué)與華北光電技術(shù)研究所的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于事件的雙端薄膜視覺傳感器(如圖1),該傳感器創(chuàng)新地將無機(jī)氧化物p-n結(jié)與熱釋光電效應(yīng)相結(jié)合,協(xié)同了光伏效應(yīng)和熱釋電機(jī)制。這一創(chuàng)新使尖峰信號(hào)的響應(yīng)度提高了十倍,動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到110 dB,光譜響應(yīng)范圍從紫外(UV)波段擴(kuò)展到近紅外(NIR)波段。利用該薄膜傳感器陣列,即使在弱光條件下,這些尖峰信號(hào)仍能準(zhǔn)確提取指紋邊緣特征,這得益于其對(duì)微弱亮度變化的高靈敏度。此外,傳感器的寬帶尖峰響應(yīng)可捕獲更豐富的信息,在多光譜動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別中準(zhǔn)確率高達(dá)99.25%,同時(shí)數(shù)據(jù)處理量減少了65%以上。這種方法有效地消除了冗余數(shù)據(jù),同時(shí)最大限度地減少了信息丟失,為當(dāng)前的動(dòng)態(tài)感知技術(shù)提供了一種前景廣闊的替代方案。這項(xiàng)研究以“Thin-film event-based vision sensors for enhanced multispectral perception beyond human vision”為題發(fā)表在InfoMat期刊上。


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圖1 基于事件的薄膜視覺傳感器的仿生動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法


研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于事件的雙端薄膜視覺傳感器,主要利用ZnO/NiO光電二極管中的熱釋光電效應(yīng)和HfO?絕緣層的電容效應(yīng)(如圖2B和圖2C),可增強(qiáng)光電轉(zhuǎn)換能力并提高傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,相關(guān)機(jī)理分析如圖2所示。


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圖2 基于事件的薄膜視覺傳感器的設(shè)計(jì)與機(jī)理分析


隨后,研究人員測(cè)量了基于事件的薄膜視覺傳感器在光脈沖下的尖峰信號(hào)(如圖3A)。在像素值不斷變化的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中,有必要檢查傳感器在逐步變化的光照下的性能(如圖3E)。對(duì)現(xiàn)代傳感系統(tǒng)來說,準(zhǔn)確探測(cè)寬光譜場(chǎng)景信號(hào)的能力至關(guān)重要。研究人員測(cè)定了基于事件的薄膜視覺傳感器在紫外(380 nm)波段到近紅外(1064 nm)波段的響應(yīng)度,以評(píng)估其寬帶探測(cè)的能力(如圖3H)。


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圖3 基于事件的薄膜視覺傳感器的快速寬帶尖峰信號(hào)測(cè)量


基于事件的薄膜視覺傳感器在圖像上移動(dòng)時(shí),會(huì)在灰度值發(fā)生變化的邊緣區(qū)域產(chǎn)生電流尖峰信號(hào)。這種能力極大的提升其在傳感器內(nèi)(in-sensor)邊緣處理能力,特別是在指紋識(shí)別方面,因?yàn)橹讣y識(shí)別主要依賴于邊緣提取來識(shí)別指紋圖案中的獨(dú)特特征,相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。


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圖4 采用基于事件的薄膜視覺傳感器進(jìn)行傳感器內(nèi)圖像邊緣處理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果


這項(xiàng)研究重點(diǎn)關(guān)注了從紫外波段到近紅外波段的低可見度場(chǎng)景,以評(píng)估傳感器的動(dòng)態(tài)識(shí)別能力。為了復(fù)制這一場(chǎng)景,研究人員做了兩方面簡(jiǎn)化:(1)圖像區(qū)域劃分:將圖像分成四個(gè)相等的矩形區(qū)域,每個(gè)區(qū)域代表特定波長(zhǎng)(380 nm、675 nm、808 nm和1064 nm)的信息(如圖5A右側(cè));(2)統(tǒng)一響應(yīng)度假設(shè):考慮到低可見度環(huán)境下紫外波段和可見光的響應(yīng)度降低,假設(shè)四個(gè)波長(zhǎng)的響應(yīng)度形同。對(duì)于識(shí)別任務(wù),這項(xiàng)研究使用了包含四種動(dòng)態(tài)手勢(shì)(向左移動(dòng)、向右移動(dòng)、向上移動(dòng)和向下移動(dòng))的數(shù)據(jù)集,相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。


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圖5 基于事件的薄膜視覺傳感器在低可見度場(chǎng)景的快速寬帶尖峰信號(hào)測(cè)量


綜上所述,這項(xiàng)研究提出了一種簡(jiǎn)化的基于事件的薄膜視覺傳感器,它能夠感知并直接將多光譜亮度變化轉(zhuǎn)換為尖峰信號(hào),從而有效地促進(jìn)了靜態(tài)圖像和動(dòng)態(tài)物體的感知和處理,通過利用熱釋光電效應(yīng),其響應(yīng)度提高了十倍,動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到110 dB。這些尖峰信號(hào)實(shí)現(xiàn)了傳感器內(nèi)邊緣處理,而對(duì)數(shù)響應(yīng)則提高了對(duì)微弱光線變化的靈敏度,在指紋識(shí)別任務(wù)中優(yōu)于Prewitt核卷積等傳統(tǒng)方法。此外,從紫外波段到近紅外波段的擴(kuò)展光譜范圍使傳感器能夠捕獲寬帶動(dòng)態(tài)信息,同時(shí)過濾掉冗余數(shù)據(jù)。通過將獲取的信息輸入到脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SNN)模型中,動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)99.25%,超越了單波段傳感器,并證明了其在實(shí)時(shí)視覺處理中的有效性。這項(xiàng)技術(shù)為開發(fā)先進(jìn)的機(jī)器視覺系統(tǒng)和實(shí)時(shí)視覺計(jì)算芯片提供了巨大潛力。