Миниатюрный процессор для компьютерного зрения способен собирать, обрабатывать и хранить информацию, необходимую для работы автономных устройств следующего поколения.
Ирина Медведева
Нейроморфный чип для распознавания изображений.Университет RMIT
В Мельбурнском королевском технологическом университете создан нейроморфный чип, который работает по принципу человеческого глаза и мозга, обеспечивая более высокую скорость и энергоэффективность при принятии решений.
По сообщению interestingengineering.com, группа австралийских ученых представила инновационный нейроморфный элемент для зрения, который выполняет функции восприятия, анализа и сохранения визуальных данных в едином устройстве, копируя взаимодействие глаза и мозга человека.
Этот крошечный чип на основе легированного оксида индия позволяет уменьшить потребность во внешних вычислительных блоках и ускорить обработку данных в таких сферах, как автономные системы.
Работу возглавили инженеры из Королевского технологического университета Мельбурна совместно со специалистами из Университета Дикина и Мельбурнского университета.
По заявлению создателей, их разработка объединяет такие функции, как регистрация световых сигналов, их обработка и запоминание, на одной платформе. Это исключает использование отдельных аппаратных модулей, которые обычно тормозят работу систем машинного зрения.
В отличие от стандартных систем визуализации, которые собирают информацию и отправляют ее на внешние процессоры, новый чип производит вычисления прямо в месте улавливания света. Чувствительная пленка, толщина которой в тысячи раз меньше человеческого волоса, реагирует на свет и сохраняет данные в течение длительного времени, что делает ее похожей на биологическую зрительную систему.
По мнению исследователей, такой интегрированный подход может сократить потребление энергии и повысить скорость реакции в реальном времени. Устройство протестировали с ультрафиолетовым излучением, и сейчас команда работает над расширением его возможностей для работы с видимым и инфракрасным светом, чтобы охватить более широкий спектр применения.
Зрительная система, работающая как человеческий мозг
Чип спроектирован так, чтобы повторять, как человеческий глаз воспринимает свет, а мозг обрабатывает и запоминает визуальные данные. Он решает несколько задач на одной платформе: распознает поступающий свет, обрабатывает сигналы и хранит изображения для последующего использования.
Руководитель группы, профессор Сумит Валия, отметил, что цель состояла в устранении задержек и снижении энергозатрат при передаче информации между разными системами.
«Благодаря нашему изобретению стало возможным принимать решения в реальном времени, так как системе не приходится обрабатывать огромные массивы ненужных данных и она не замедляется из-за пересылки информации на отдельные вычислители».
Устройство также показало способность удерживать визуальную информацию в течение длительного периода без частого обновления сигналов, что снижает энергопотребление и повышает эффективность.
Первый автор работы, научный сотрудник Мельбурнского королевского технологического университета Айшани Мазумдер, пояснила, что система основана на принципах работы мозга. «Нейроморфные зрительные системы используют аналоговую обработку, подобно человеческому мозгу, что позволяет значительно сократить затраты энергии на выполнение сложных задач по сравнению с текущими технологиями».
На пути к созданию автономных машин
По словам разработчиков, эта технология может применяться в беспилотных автомобилях, автономных роботах и системах наблюдения, работающих в опасных условиях. Среди потенциальных областей использования — распознавание объектов в транспортных средствах, системы обнаружения в отдаленных или опасных местах, а также передовые методы визуализации для криминалистики и промышленного контроля.
Поскольку чип объединяет множество функций в одном корпусе, он способен поддерживать автономную работу длительное время без мощной вычислительной инфраструктуры. Как утверждают создатели, это делает его подходящим для систем, которым нужно быстро адаптироваться к меняющимся условиям.
Устройство имитирует способность сетчатки глаза захватывать полное изображение, а мозга — интерпретировать и сохранять его, что обеспечивает более компактный и эффективный подход к машинному зрению. Исследователи считают, что в конечном итоге это может привести к появлению зрительных систем, которые будут улучшаться с накоплением опыта, как и биологические системы.
Полученные результаты открывают путь к созданию автономных систем, способных обучаться и адаптироваться в реальном времени. В отличие от традиционных камер, которые генерируют огромные объёмы избыточных данных, нейроморфный чип обрабатывает только существенные изменения в визуальной сцене, подобно тому, как человеческий мозг игнорирует статичный фон.
Это радикально снижает вычислительную нагрузку и позволяет устройству работать при минимальном энергопотреблении, что критически важно для дронов, портативных роботов и носимых гаджетов.
Следующим шагом для команды станет интеграция чипа с инфракрасным и видимым спектрами, что превратит его в универсальный сенсорный модуль. Если сейчас прототип работает с ультрафиолетом, то расширение диапазона позволит применять чип в медицине (неинвазивная диагностика тканей), сельском хозяйстве (мониторинг состояния растений) и системах безопасности (распознавание лиц в темноте).
По словам профессора Валии, каждая новая длина волны открывает отдельную экосистему приложений.
Преимущества и перспективы технологии
Важным преимуществом разработки является её совместимость с существующими полупроводниковыми технологиями. Плёнка из легированного оксида индия может наноситься на стандартные кремниевые подложки, что упрощает масштабирование производства.
Исследователи подчёркивают, что переход от лабораторного прототипа к коммерческому продукту потребует доработки материаловедческих аспектов, однако принципиальные ограничения для серийного выпуска отсутствуют.
В перспективе подобные нейроморфные чипы могут стать основой для «интеллектуальных» камер, которые не просто фиксируют изображение, а понимают смысл происходящего.
Например, в беспилотном автомобиле такая система сможет мгновенно отличать пешехода от дорожного знака без участия центрального процессора, принимая решение на уровне сенсора. Это повышает не только скорость реакции, но и надёжность — отказ одного модуля не парализует всю систему.
Работа австралийских учёных демонстрирует, что будущее компьютерного зрения лежит не в наращивании вычислительных мощностей, а в биомиметическом подходе.
Заставляя кремний мыслить как нейрон, исследователи приближают эру автономных машин, которые смогут действовать в сложных, нестабильных средах — от поверхности Марса до зон техногенных катастроф.
Чип из Мельбурна — это не просто компонент, а фундамент для нового поколения устройств, где восприятие и анализ слиты воедино.
Команда использовала специализированное оборудование для нанопроизводства и микроскопии в Мельбурнском королевском технологическом университете при поддержке Австралийского исследовательского совета и Национальной вычислительной инфраструктуры.
Результаты исследований опубликованы в журнале Advanced Functional Materials
Ранее мы писали о похожей разработке коллектива ученых из США — они создали «искусственные глаза» для роботов и беспилотников, научив кремний и полимеры «чувствовать» свет так же органично, как это делает биологическая ткань.
В последние годы технологии искусственного зрения развиваются очень быстро: новый тип мозгового имплантата дает возможность формировать зрительные образы, не используя сетчатку или зрительные нервы. Устройство под названием ICVP прошло очередную проверку — его успешно вживили третьему пациенту.
А в психиатрическую практику уверенно входит электронная таблетка, вставляемая в черепную коробку. Она сделает любого пессимиста и нытика бодрым и оптимистичным.