Detección digital ilimitada desatada para imágenes, audio y automóviles sin conductor

Una nueva técnica podría liberar el potencial de sensores digitales como cámaras para detectar todas las intensidades de luz y micrófonos para detectar todos los rangos de audio.

¿Alguna vez fotografió una hermosa puesta de sol o grabó un concierto en vivo en su teléfono, solo para producir imágenes sobresaturadas y una reproducción borrosa, detener-comenzar?

Esto se debe a que los sensores digitales cotidianos, como cámaras, micrófonos e incluso instrumentos más científicos, como sismómetros, radares y sistemas de ultrasonido, están sujetos a puntos de saturación: no pueden detectar entidades como luz, sonido, terremotos, temperaturas y otros estímulos más allá de ciertos estímulos físicos. límites.

Ahora, los investigadores del Imperial College London y la Technical University of Munich (TUM) han desarrollado una técnica que une nuevo hardware y algoritmos para liberar todo el potencial de sensores digitales como estos.

Las aplicaciones van desde la fotografía de consumo y las imágenes científicas y médicas hasta la exploración espacial. Por ejemplo, la técnica podría aumentar el alcance en instrumentos como cámaras y sensores ambientales para vehículos autónomos, la precisión y sensibilidad de los sismómetros para detectar terremotos en la Tierra y Marte, y un mejor alcance en los dosímetros, que miden la radiación ionizante dañina, por ejemplo. después de accidentes nucleares como Chernobyl.

Otras aplicaciones incluyen imágenes de ultrasonido mejoradas y imágenes de rayos X de alto rango dinámico (HDR) para exámenes médicos, así como una mayor precisión y rango de sensores que detectan huracanes y otros peligros naturales. También podría ayudar a mejorar el escaneo no destructivo de objetos como el equipaje del aeropuerto y probar las grietas en los lingotes de oro.

El autor principal de la investigación, el Dr. Ayush Bhandari, del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de Imperial, dijo: «Necesitamos sensores que capturen la gama completa de lo que nuestro entorno tiene para ofrecer, y existe un potencial ilimitado para que los sensores midan señales más allá de los humanos y límites tecnológicos «.

Los dispositivos de detección electrónicos contienen convertidores de analógico a digital (ADC), que convierten información como la luz y el sonido de cámaras y micrófonos en señales digitales. Sin embargo, los ADC están sujetos a límites de voltaje y la saturación ocurre cuando una señal entrante excede esos límites. La saturación se experimenta comúnmente como imágenes de apariencia ‘blanqueada’ o audio que salta y salta, particularmente cuando el estímulo repentinamente ‘se dispara’.

El Dr. Bhandari agregó: «Nuestra nueva técnica nos permite capturar una gama más completa de estímulos en innumerables ejemplos de tecnología digital, con aplicaciones que van desde la fotografía cotidiana y los escáneres médicos hasta la exploración extraterrestre, la bioingeniería y el monitoreo de desastres naturales. El hardware y el software El enfoque de codiseño abre nuevas fronteras científicas para futuras investigaciones «.

«Doblando» la señal

Para llevar a cabo el estudio, los investigadores experimentaron con ADC que usan muestreo «módulo» para probar si el uso de un tipo diferente de voltaje, llamado módulos, podría ayudar a los sensores a procesar una mayor variedad de información. Un módulo se refiere al resto que se produce cuando el voltaje de una señal se divide por el voltaje máximo del ADC.

Construyeron un prototipo con un algoritmo incorporado que activa el ADC para cambiar a voltaje de módulo una vez que se alcanza el límite de estímulo y ‘dobla’ estas señales en señales más pequeñas. Con esto, los investigadores pudieron convertir las mediciones de módulo en señales digitales convencionales más pequeñas que pueden ser leídas por los sensores existentes.

Este método permitió a los ADC procesar una gama de información mucho más amplia de lo que era posible anteriormente. Incluso podría proporcionar ‘muestreo ilimitado’ que captura con precisión señales cuyas amplitudes exceden con creces los límites de voltaje de los ADC.

El cielo es el límite

El coautor del estudio y alumno universitario del Dr. Bhandari en Imperial, Thomas Poskitt, dijo: «Hoy, estamos rodeados de sensores digitales que forman una parte crucial de la revolución digital. Todos los sensores digitales tienen límites máximos y mínimos para lo que pueden detectar, pero hemos encontrado una manera de romper el límite superior sin un máximo teórico: ¡el cielo es el límite!

«Al tomar un módulo de la señal, mantenemos el voltaje dentro del límite y reconstruimos la señal completa, incluso sin saber cuántas veces el voltaje ha excedido el límite. Esto puede desbloquear un alto rango dinámico para cualquier sensor que podría, por ejemplo , permite que las cámaras vean lo que los humanos no pueden «.

Una aplicación importante de la técnica será la mejora de las cámaras en los coches sin conductor. Las cámaras de los automóviles que atraviesan un túnel se saturan por la repentina oleada de luz a medida que emergen los automóviles, lo que provoca una pérdida de información visual y pone en riesgo la seguridad del automóvil.

De hecho, la tecnología podría eventualmente ayudar a desarrollar sensores que puedan procesar señales más allá de lo que los humanos pueden sentir, como la luz ultravioleta, la luz infrarroja y otras bandas hiperespectrales, utilizando sensores de imágenes de módulo.

Los investigadores dicen que sus hallazgos superan las limitaciones percibidas tanto en la detección digital como en las formas en que diferentes disciplinas pueden trabajar juntas para solucionar problemas comunes. El Dr. Bhandari dijo: «Al combinar nuevos algoritmos y nuevo hardware, hemos solucionado un problema común, uno que podría significar que nuestros sensores digitales perciben lo que los humanos pueden y más allá».

El coautor del estudio, el profesor Felix Krahmer de TUM, dijo: «La característica clave de nuestro enfoque es que si una señal lleva el voltaje más allá del umbral, el hardware cambia la señal de voltaje a módulo, esencialmente restableciéndose para dejar entrar un rango más amplio de señales.

«Lo nuevo del artículo actual es que presenta el primer enfoque unificado con un prototipo de hardware adaptado a las características computacionales del método de reconstrucción y un esquema de recuperación que aborda con éxito los desafíos de la implementación del circuito».

Este trabajo se basó en las hipótesis expuestas en la tesis doctoral del Dr. Bhandari y en el artículo de 2017 que recibió una patente de EE. UU. En 2020 y fue financiado por el programa de becas Future Leader Fellowship y el European Partners Fund de UK Research and Innovation (UKRI).

«Unlimited Sampling from Theory to Practice: Fourier-Prony Recovery and Prototype ADC» por Bhandari et al., Publicado el 16 de septiembre de 2021 en Transacciones IEEE sobre procesamiento de señales (IEEE Xplore).