猫に触発された人工視覚

November, 1, 2024, Gwangju--多くの捕食動物は、獲物を狩るための専門的な視力を発達させてきた。たとえば、猫の瞳孔は、明るい光の中では、食べ物のターゲットと周囲を区別するために、垂直のスリットに狭くなる。夜になると、幅の広い円形の瞳孔と再帰反射する内部の目の特徴が、猫の光に対する感受性を高める。

これらのネコの適応に触発されて、韓国の研究者たちは、スリット状の開口部と光感度を高める金属製のリフレクタを備えた人工視覚システムを設計した(Sci. Adv., doi: 10.1126/sciadv.adp2809)。この生体模倣デバイスは、ドローンや自動運転車が背景の雑然とした中から重要な物体を識別するのに役立つ可能性がある。

猫の目を模倣する
「バイオインスパイアード光学の研究のほとんどは、様々な生物学者が発見した現象や分析に基づいている。これまでの研究では、待ち伏せ型捕食者と呼ばれるネコのような小型の捕食者が、縦の瞳孔を通じて周囲の雑音を低減できることが示唆されている。われわれは光学に重点を置いているため、縦長の瞳孔を採用することで狩猟効率を向上させる方法について深く掘り下げた」と、研究著者である光州科学技術大学(GIST)のYoung Min Songは説明している。

Songと同氏のチームは、人間の目の狭い円形の瞳孔が、明るい光の下でターゲットと背景の両方のオブジェクトに焦点を合わせることに気づいた。しかし、人工視覚を使用するロボットシステムにとって、小さな丸い開口部から見える視野の乱雑さは、歩行者と静止した建物の区別を覆い隠すなど、実際の問題を引き起こす可能性がある。

一方、垂直スリット瞳孔の非対称形状は、接線面と矢状面に非対称の被写界深度を生み出し、目的のオブジェクトとその背景との間のコントラストを明るい光で強化する。

猫には、目の網膜のすぐ後ろに再帰反射層、脈絡層タペタムも持っている。この層は、ペットのフラッシュ写真で時々キャプチャされる珍しい輝きを生み出している。しかし、脈絡層タペタムは夕暮れや夜の狩猟で実用的な役割を果たす:目から反射する光は猫が獲物を見る際に役立つ。

目からカメラへ
GIST人工視覚システムは、切替可能な絞り(楕円形、小円形、大円形)を備えた光学レンズと、パタン化された銀反射板に支えられたシリコン光検出器の半球アレイで構成されている。Songによると、通常、リフレクタはセンサの後ろに配置されないが、脈絡層タペタムのように機能する再帰リフレクタは、一般的に道路標識に組み込まれている。

他にも多くの研究者が、ディープラーニング(DL)による画像分類など、人工知能(AI)を用いて人工知能による人工視覚の問題に取り組んでいる。「しかし、必要な情報を正確に抽出しようとすればするほど、計算負荷は高くなる」(Song)。

ネコの目構造を模倣したハードウェアを構築することで、チームは、非常にノイズの多い環境でも必要な情報を選択的にフィルタリングする方法を学習した。これにより、隠れたオブジェクトの識別が向上する。ノイズの多いネットワークで標準化された画像データセットを使用した実験では、従来の畳み込みニューラルネットワーク(CNN)を使用したカメラの精度は88.89%だった。「しかし、キャッツアイの構造により、精度は94.44%と大幅に向上した」(Song)。

研究チームは、この概念実証カメラがいずれ偵察と自動運転のシナリオを後押しすることを望んでいる。しかし、Songによると、絞りは動的に変化できなければならない。「キャッツアイを模倣するには、入射光に基づいて絞りを調整するため、異なる技術的アプローチが必要になる。これには、調整可能なフォトニクスが含まれる可能性がある。画像処理の面では、猫の視覚野で発生するプロセスをより深く分析し、これらの機能を再現するニューロモルフィックデバイスを実装することで、猫の目の視力をより完全に実現できる可能性がある」とSongは付け加えている。