Учёные из Северо-Западного университета (Northwestern University) создали необычную камеру глубины SpiderCam, которая потребляет меньше энергии, чем ночник. Прототип вдохновлён уникальным зрением прыгающих пауков — крошечных хищников, чей мозг размером с маковое зёрнышко умеет точно рассчитывать расстояние перед прыжком.
Новая камера способна в реальном времени строить трёхмерные карты окружающей среды, расходуя всего 624 милливатта мощности. Это делает её одной из самых энергоэффективных систем глубинного зрения в мире.
Как пауки измеряют расстояние
Прыгающие пауки (Salticidae) обладают особым устройством глаз. В каждом основном глазу у них несколько слоёв сетчатки, расположенных на разной глубине. Один слой видит объект резко, другой — с лёгким размытием. Мозг паука сравнивает степень резкости изображений и по разнице определяет расстояние до цели. Этот принцип называется дефокусным (или blur-based) измерением глубины.
В отличие от стереозрения человека или активных систем вроде лидара, пауку не нужно проецировать свет или сравнивать изображения с двух разных точек — достаточно одной пары кадров с разной фокусировкой.
Как работает SpiderCam
Инженеры во главе с доцентом Эммой Александер (Emma Alexander) повторили этот подход. Камера одновременно делает два снимка одной и той же сцены с немного смещёнными настройками фокуса. Специальный алгоритм анализирует, как меняется резкость краёв и текстур между кадрами, и на основе этих различий рассчитывает расстояние до объектов.
Чтобы добиться максимальной энергоэффективности, алгоритм реализовали не на обычном процессоре, а напрямую в программируемой логической матрице (FPGA) — чипе, оптимизированном для конкретных вычислений. В результате прототип выдаёт карты глубины с частотой 32,5 кадра в секунду при энергопотреблении всего 624 мВт.
По словам исследователей, SpiderCam — первая пассивная (без активной подсветки) FPGA-система 3D-зрения, работающая ниже одного ватта.
Где можно применить такую камеру
Низкое энергопотребление открывает дорогу к использованию в устройствах, где каждый милливатт на счету: носимая электроника, вспомогательные устройства для людей с ограниченными возможностями, небольшие роботы и дроны, системы дополненной реальности. В отличие от традиционных решений, SpiderCam не требует мощного процессора или постоянной подсветки сцены.
«Меня очень интересуют сценарии с жёстким ограничением ресурсов, где нельзя воткнуть камеру в розетку, — говорит Эмма Александер. — Например, для работы в полевых условиях с ограниченным питанием. Отдельно я считаю особенно перспективным применение в дополненной реальности, где нужно точно знать расположение объектов вокруг».
Команда уже планирует улучшить оптику, расширить поле зрения и интегрировать технологию в носимые устройства и мини-роботов. В перспективе — создание специализированного чипа, который снизит энергопотребление ещё сильнее.
