Cảm biến quang điều chỉnh bằng điện áp mở đường cho xử lý ảnh thời gian thực

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Massachusetts Amherst (UMass Amherst) đã phát triển một loại phần cứng mới dành cho thị giác máy tính, cho phép ghi nhận và xử lý dữ liệu hình ảnh ngay tại cảm biến. Công nghệ mới này được công bố trên tạp chí Nature Communications không chỉ mô phỏng cấu trúc xử lý thị giác của mắt người mà còn mở ra triển vọng cho các ứng dụng thị giác máy tính quy mô lớn, yêu cầu xử lý dữ liệu tốc độ cao và độ trễ thấp.

 

20250620DH011.jpg

Được làm bằng silicon, các mảng xử lý hình ảnh trong cảm biến này có thể vừa thu thập vừa xử lý dữ liệu hình ảnh, trái ngược với các hệ thống thông thường thường tách biệt các chức năng này về mặt vật lý. Nguồn: Guangyu Xu, UMass Amherst

Hệ thống thị giác máy tính gồm hai bộ phận tách biệt: cảm biến để ghi lại hình ảnh và bộ xử lý để phân tích dữ liệu. Mỗi lần truyền dữ liệu giữa hai khối này đều gây tiêu tốn thời gian và năng lượng, đặc biệt khi dữ liệu hình ảnh quá dư thừa so với thông tin cần thiết để nhận diện vật thể hoặc chuyển động. Theo Giáo sư Guangyu Xu, người dẫn đầu nhóm nghiên cứu: Công nghệ mới của họ đã tích hợp hai chức năng này vào cùng một thiết bị, tương tự như cách mắt người cảm nhận và xử lý thế giới thị giác một cách liền mạch.

Nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công hai mảng cảm biến sử dụng các cảm biến quang silicon điều khiển bằng điều chỉnh được bằng điện áp cực, hay còn gọi là xử lý mảng hình ảnh trong cảm biến. Một mảng được tối ưu để nhận diện chuyển động ánh sáng theo thời gian (đối tượng đang di chuyển), còn mảng kia dùng để nhận diện đặc trưng không gian trong ảnh tĩnh (đối tượng cố định). Cả hai hoạt động ở chế độ analog, tiêu tốn ít năng lượng và có thể xuất tín hiệu hai chiều.

Kết quả thử nghiệm cho thấy công nghệ này có khả năng phân loại các chuyển động của con người như đi bộ, đấm bốc, vẫy tay và vỗ tay với độ chính xác lên tới 90%, vượt trội so với các hệ thống kỹ thuật số chỉ đạt từ 77,5% đến 85%. Đối với hình ảnh tĩnh, hệ thống có thể nhận diện chữ số viết tay với độ chính xác 95%, so với mức 90% của các hệ thống không có khả năng xử lý tại cảm biến. Thành tích này chứng minh hiệu quả vượt trội của phương pháp xử lý trực tiếp tại điểm ghi nhận hình ảnh, giúp rút ngắn đáng kể độ trễ và giảm lượng dữ liệu phải truyền tải.

Một đặc điểm nổi bật là toàn bộ mảng cảm biến đều được chế tạo từ silicon – vật liệu chủ đạo của các chip máy tính, thay vì dùng các vật liệu nano như trong những nghiên cứu trước đây về xử lý hình ảnh tại cảm biến. Nhờ đó, hệ thống có thể tích hợp trực tiếp vào quy trình chế tạo bán dẫn CMOS, giúp dễ dàng mở rộng quy mô, đồng bộ với công nghệ sản xuất vi mạch hiện nay, và phù hợp với các hệ thống yêu cầu xử lý song song khối lượng lớn.

Theo Giáo sư Guangyu Xu, công nghệ hoàn toàn bằng silicon này là bước đột phá lớn, mở đường cho sản xuất hàng loạt các cảm biến thông minh có thể xử lý hình ảnh ngay tại nguồn dữ liệu với độ biến thiên thấp, chi phí hợp lý và độ tin cậy cao. Ông nhấn mạnh rằng tiềm năng ứng dụng rất rộng, từ xe tự lái – nơi cần xử lý tức thời dữ liệu thị giác để đảm bảo an toàn, đến hình ảnh y sinh – nơi có thể rút gọn dữ liệu thu nhận nhưng vẫn giữ được thông tin sinh học cần thiết cho nghiên cứu.

Với khả năng tích hợp cao, tiêu thụ năng lượng thấp và độ chính xác ấn tượng, phần cứng thị giác máy tính mới này hứa hẹn sẽ thay đổi cách thức mà các hệ thống thông minh tiếp cận và xử lý thế giới trực quan trong thời gian thực, đồng thời mở ra hướng đi mới cho thị giác máy tính tương lai – nhanh hơn, hiệu quả hơn và gần hơn với cơ chế hoạt động của tự nhiên.

Nguồn: Techxplore.com