対象検出に鳥の目にインスパイアされた機能改善カメラ

August, 13, 2024, Daejeon--鳥瞰図にインスパイアされた革新的なカメラは、物体検出を強化するために開発された。
ワシなどの猛禽類の目は、何kmも離れた場所から獲物を正確に認識することができる。鳥瞰眼をモデルにしたカメラ技術は可能か。

IBSの研究チームは、鳥の目の構造と機能に触発された新しいタイプのカメラを開発した。基礎科学研究所ナノ粒子研究センタのKIM Dae-Hyeong教授らの研究チームは、光州科学技術院(GIST)のSONG Young Min教授と共同で、物体検出に特化したペロブスカイトカメラを開発した。

自然界の様々な生物の目は、生息地や生存環境に合わせて進化し、最適化されてきた。鳥の目は、高高度での生活や飛行の環境に数え切れないほどの進化的適応をしてきた結果、独自の構造と視覚機能も備えている。

動物の目の網膜には、目に入る光を屈折させる中心窩と呼ばれる小さな穴がある。人間の目に見られる浅い中心窩とは異なり、鳥の目は中央中心窩が深く、入射光を大幅に屈折させる。円錐密度が最も高い領域は中心窩内にあり、鳥は拡大して遠くの物体をはっきりと認識することができる。この特殊な視力は中心窩視として知られている。

人間の目は可視光線しか見ることができないが、鳥の目には紫外線(UV)と可視光(赤、緑、青RGB)に反応する4つの錐体がある。この四色覚により、鳥類は豊富な視覚情報を取得し、動的な環境下で対象物を効果的に検出することができる。

これらの機能に触発されて、IBSの研究チームは、人工中心窩とUVとRGBの両方に反応するマルチスペクトルイメージセンサを組み込んだ、物体検出に特化した新しいタイプのカメラを設計した。まず、鳥の目の深部中心窩を模倣して人工中心窩を作製し、光学シミュレーションによって設計を最適化した。これにより、カメラは画像の歪みなしに遠くのターゲットオブジェクトを拡大できる。

次に、優れた電気的および光学的特性で知られるペロブスカイト材料を使用して、マルチスペクトルイメージセンサを作製した。波長の異なるペロブスカイト材料を用いて、4種類の光検出器を作製。マルチスペクトルイメージセンサは、最終的に4つの光検出器を垂直に積み重ねて作製された。

筆頭共著者のDr. PARK Jinhongは、「光検出器を垂直に積み重ねる新しい転写プロセスも開発した。これまでの研究で開発したペロブスカイトパターニング法を用いることで、カラーフィルタを追加することなくUVとRGBを検出できるマルチスペクトルイメージセンサを作製することができた」と説明している。

ズームレンズを使って被写体を拡大する従来のカメラは、対象物だけに焦点を合わせ、周囲にピントを合わせないという欠点があった。一方、鳥瞰図にインスパイアされたカメラは、中心窩領域の拡大ビューと周辺領域の周囲ビューの両方を提供する。2つの視野を比較することで、鳥瞰図にインスパイアされたカメラは、従来のカメラよりも優れたモーション検出機能を実現できる。さらに、このカメラは、追加のカラーフィルタなしでUV光とRGB光を区別できるため、より費用対効果が高く軽量である。

研究チームは、開発したカメラの物体認識能力と動体検知能力をシミュレーションで検証した。物体認識に関しては、新しいカメラは0.76の信頼度スコアを示し、既存のカメラシステムの信頼度スコア0.39の約2倍。また、動体検知率も従来比3.6倍に向上し、動体検知感度が大幅に向上した。

「鳥の目は、飛翔中に遠くの物体を迅速かつ正確に検出するように進化してきた。われわれのカメラは、ロボットや自律走行車など、物体をはっきりと検出する必要がある領域で使用できる。特に、鳥類と同じような環境下で運用するドローンへの応用が期待できる」とKim教授はコメントしている。

この革新的なカメラ技術は、物体検出の大幅な進歩を表しており、様々な業界に多くの潜在的なアプリケーションを提供する。