Une caméra qui simule l'œil d'un chat peut voir à travers un camouflage
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Ce rocher a-t-il bougé ou est-ce un écureuil qui traverse la route ? Le suivi d'objets qui ressemblent beaucoup à leur environnement est un problème majeur pour de nombreux systèmes de vision autonomes. Les algorithmes d’IA peuvent résoudre ce problème de camouflage, mais ils nécessitent du temps et de la puissance de calcul. Une nouvelle caméra conçue par des chercheurs sud-coréens offre une solution plus rapide. La caméra s'inspire des yeux d'un chat, en utilisant deux modifications qui lui permettent de distinguer les objets de leur arrière-plan, même la nuit.
« À l'avenir, divers robots intelligents nécessiteront le développement de systèmes de vision adaptés à leurs tâches visuelles spécifiques », explique Young Min Song, professeur en génie électrique et d'informatique à l'Institut des sciences et technologies de Gwangju et l'un des concepteurs de la caméra.
Les recherches récentes de Young Min Song se sont concentrées sur l'utilisation des yeux « parfaitement adaptés » des animaux pour améliorer le matériel des caméras, ce qui permet de créer des caméras spécialisées pour différentes tâches. Par exemple, les yeux des poissons ont des champs de vision plus larges en raison de la courbure de leur rétine. Les chats sont peut-être communs et faciles à ignorer, dit-il, mais leurs yeux sont en fait une source d'inspiration.
Cette caméra a copié deux adaptations des yeux des chats : leurs pupilles verticales et une structure réfléchissante derrière leur rétine. La combinaison de ces deux éléments a permis à la caméra d'être 10 % plus précise pour distinguer les objets camouflés de leur arrière-plan et 52 % plus efficace pour absorber la lumière entrante.
Utilisation d'une pupille verticale pour réduire la mise au point
Alors que les caméras classiques permettent de voir clairement le premier plan et l'arrière-plan d'une image, les pupilles fendues d'un chat se focalisent directement sur une cible, l'empêchant de se fondre dans son environnement. Kim et al./Science Advances
Dans les systèmes de caméra conventionnels, lorsque la lumière est suffisante, l'ouverture - la version de la pupille de la caméra - est petite et circulaire. Cette structure permet une grande profondeur de champ (la distance entre l'objet le plus proche et l'objet le plus éloigné mis au point), ce qui permet de voir clairement le premier plan et l'arrière-plan. En revanche, les yeux de chat ont une pupille verticale pendant la journée. Cela permet de se concentrer sur une cible et de la distinguer plus clairement de l'arrière-plan.
Les chercheurs ont imprimé en 3D une fente verticale qu'ils ont utilisée comme ouverture pour leur caméra. Ils ont testé la fente verticale à l'aide de sept algorithmes de vision artificielle conçus pour suivre des objets en mouvement. La fente verticale a augmenté le contraste entre un objet cible et son arrière-plan, même s'ils étaient visuellement similaires. Elle a battu la caméra conventionnelle dans cinq des sept tests. Pour les deux tests où elle a obtenu de moins bons résultats que la caméra conventionnelle, la précision des deux caméras se situait à moins de 10 % l'une de l'autre.
Utilisation d'un réflecteur pour recueillir plus de lumière
Les chats peuvent voir plus clairement la nuit que les caméras conventionnelles grâce à des réflecteurs dans leurs yeux qui apportent une lumière supplémentaire à leur rétine. Kim et al./Science Advances
Les yeux des chats possèdent un réflecteur intégré, appelé tapetum lucidum, qui se trouve derrière la rétine. Il réfléchit la lumière qui passe à travers la rétine, ce qui lui permet de traiter à la fois la lumière entrante et la lumière réfléchie, conférant ainsi aux félins une vision nocturne supérieure. Vous pouvez observer cette adaptation biologique en regardant les yeux d'un chat la nuit : ils brillent.
Les chercheurs ont créé une version artificielle de cette structure biologique en plaçant un réflecteur en argent sous chaque photodiode de la caméra. Les photodiodes sans réflecteur génèrent du courant lorsque plus de 1,39 watts par mètre carré de lumière tombe sur elles, tandis que les photodiodes avec réflecteur s'activent avec 0,007 W/m2 de lumière. Cela signifie que la photodiode peut générer une image avec environ 1/200e de la lumière.
Chaque photodiode a été placée au-dessus d'un réflecteur et reliée par des électrodes métalliques pour créer un capteur d'image incurvé. Kim et al./Science Advances
Pour réduire les aberrations visuelles (imperfections dans la manière dont l'objectif de l'appareil photo focalise la lumière), Young Min Song et son équipe ont opté pour la création d'un capteur d'image incurvé, comme le fond de l'œil humain. Dans une telle configuration, une puce de capteur d'image standard ne fonctionne pas, car elle est rigide et plate.
Au lieu de cela, elle s'appuie souvent sur de nombreuses photodiodes individuelles disposées sur un substrat incurvé. Un problème courant avec ces capteurs incurvés est qu'ils nécessitent des photodiodes en silicium ultrafines, qui absorbent intrinsèquement moins de lumière que les pixels d'un imageur standard. Des réflecteurs placés derrière chaque photodiode de l'œil de chat artificiel ont compensé ce problème, ce qui a permis aux chercheurs de créer un imageur incurvé sans sacrifier l'absorption de la lumière.
Ensemble, les fentes verticales et les réflecteurs ont permis de créer une caméra capable de voir plus clairement dans l'obscurité et qui n'est pas trompée par le camouflage. « L'application de ces deux caractéristiques aux véhicules autonomes ou aux robots intelligents pourrait naturellement améliorer leur capacité à voir les objets plus clairement la nuit et à identifier des cibles spécifiques avec plus de précision », explique M. Song
Il prévoit que cette caméra sera utilisée pour les voitures autonomes ou les drones dans des environnements urbains complexes.
Le laboratoire de Young Min Song poursuit ses travaux sur l'utilisation de solutions biologiques pour résoudre les problèmes de vision artificielle. Il développe actuellement des dispositifs qui imitent la façon dont le cerveau traite les images, dans l'espoir de les associer un jour à ses caméras d'inspiration biologique. L'objectif est d'« imiter les systèmes neuronaux de la nature », explique M. Song.