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Carros autônomos ocasionalmente batem porque seus sistemas visuais nem sempre conseguem processar objetos estáticos ou em movimento lento no espaço 3D. Nesse sentido, eles são como a visão monocular de muitos insetos, cujos olhos compostos fornecem ótimo rastreamento de movimento e um amplo campo de visão, mas percepção de profundidade ruim.
Exceto o louva-a-deus.
O campo de visão do louva-a-deus também se sobrepõe entre os olhos esquerdo e direito, criando visão binocular com percepção de profundidade no espaço 3D.
Combinando essa percepção com alguma engenharia optoelétrica bacana e computação “de ponta” inovadora — processando dados em ou perto dos sensores que os capturam — pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciência Aplicada da Universidade da Virgínia desenvolveram olhos compostos artificiais que superam limitações incômodas na maneira como as máquinas atualmente coletam e processam dados visuais do mundo real. Essas limitações incluem problemas de precisão, tempos de atraso no processamento de dados e a necessidade de poder computacional substancial.
“Depois de estudar como os olhos do louva-a-deus funcionam, percebemos que um sistema biomimético que replica suas capacidades biológicas exigia o desenvolvimento de novas tecnologias”, disse Byungjoon Bae, candidato a doutorado no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação Charles L. Brown.
Sobre aqueles peepers biomiméticos
Os “olhos” meticulosamente projetados pela equipe imitam a natureza ao integrar microlentes e múltiplos fotodiodos, que produzem uma corrente elétrica quando expostos à luz. A equipe usou materiais semicondutores flexíveis para emular as formas convexas e posições facetadas dentro dos olhos do louva-a-deus.
“Fazer o sensor em geometria hemisférica mantendo sua funcionalidade é uma conquista de última geração, proporcionando um amplo campo de visão e percepção de profundidade superior”, disse Bae.
“O sistema proporciona percepção espacial precisa em tempo real, o que é essencial para aplicações que interagem com ambientes dinâmicos.”
Esses usos incluem veículos de baixa potência e drones, veículos autônomos, montagem robótica, sistemas de vigilância e segurança e dispositivos domésticos inteligentes.
Bae, cujo orientador é Kyusang Lee, professor associado do departamento com uma nomeação secundária em ciência e engenharia de materiais, é o primeiro autor do artigo recente da equipe em Ciência Robótica.
Entre as descobertas importantes da equipe no protótipo do sistema do laboratório estava uma redução potencial no consumo de energia em mais de 400 vezes em comparação aos sistemas visuais tradicionais.
Benefícios da computação de ponta
Em vez de usar computação em nuvem, o sistema de Lee pode processar informações visuais em tempo real, eliminando quase completamente os custos de tempo e recursos de transferência de dados e computação externa, ao mesmo tempo em que minimiza o uso de energia.
“O avanço tecnológico deste trabalho está na integração de materiais semicondutores flexíveis, dispositivos conformes que preservam os ângulos exatos dentro do dispositivo, um componente de memória no sensor e algoritmos exclusivos de pós-processamento”, disse Bae.
O ponto principal é que o conjunto de sensores monitora continuamente as mudanças na cena, identificando quais pixels foram alterados e codificando essas informações em conjuntos de dados menores para processamento.
A abordagem reflete como os insetos percebem o mundo por meio de pistas visuais, diferenciando pixels entre cenas para entender movimento e dados espaciais. Por exemplo, como outros insetos — e humanos também — o louva-a-deus pode processar dados visuais rapidamente usando o fenômeno de paralaxe de movimento, no qual objetos mais próximos parecem se mover mais rápido do que objetos distantes. Apenas um olho é necessário para atingir o efeito, mas a paralaxe de movimento sozinha não é suficiente para uma percepção precisa de profundidade.
Os olhos do louva-a-deus são especiais porque, assim como nós, eles usam a estereopsia — visão com ambos os olhos para perceber profundidade — além de suas geometrias oculares hemisféricas compostas e paralaxe de movimento para entender o ambiente ao redor.
“A fusão perfeita desses materiais e algoritmos avançados permite uma percepção espaço-temporal 3D precisa, eficiente e em tempo real”, disse Lee, um prolífico pesquisador iniciante em semicondutores de película fina e sensores inteligentes.
“O trabalho da nossa equipe representa uma visão científica significativa que pode inspirar outros engenheiros e cientistas ao demonstrar uma solução biomimética inteligente para desafios complexos de processamento visual”, disse ele.
Este trabalho foi apoiado pela National Science Foundation e pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA.
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