Détection numérique illimitée déchaînée pour l’imagerie, l’audio et les voitures sans conducteur

Détection numérique illimitée déchaînée pour l'imagerie, l'audio et les voitures sans conducteur

Crédit : Imperial College de Londres

Une nouvelle technique pourrait libérer le potentiel des capteurs numériques comme les caméras pour détecter toutes les intensités lumineuses et les microphones pour détecter toutes les plages audio

Avez-vous déjà photographié un magnifique coucher de soleil ou enregistré un concert en direct sur votre téléphone, uniquement pour produire des images sursaturées et une lecture floue en mode arrêt-démarrage ?

C’est parce que les capteurs numériques de tous les jours comme les caméras, les microphones et encore plus d’instruments scientifiques comme les sismomètres, les radars et les systèmes à ultrasons, sont sujets à des points de saturation : ils ne peuvent pas détecter des entités telles que la lumière, le son, les tremblements de terre, les températures et d’autres stimuli au-delà de certains stimuli physiques. limites.

Aujourd’hui, les chercheurs de l’Imperial College de Londres et de l’Université technique de Munich (TUM) ont développé une technique qui associe de nouveaux matériels et algorithmes pour libérer tout le potentiel de capteurs numériques comme ceux-ci.

Les applications vont de la photographie grand public et de l’imagerie scientifique et médicale à l’exploration spatiale. Par exemple, la technique pourrait augmenter la portée des instruments tels que les caméras et la détection de l’environnement pour les véhicules autonomes, la précision et la sensibilité des sismomètres pour détecter les tremblements de terre sur Terre et sur Mars, et une meilleure portée des dosimètres, qui mesurent les rayonnements ionisants nocifs, par exemple. après des accidents nucléaires comme Tchernobyl.

D’autres applications incluent l’imagerie par ultrasons améliorée et l’imagerie par rayons X à plage dynamique élevée (HDR) pour les examens médicaux ainsi qu’une précision et une gamme améliorées de capteurs qui détectent les ouragans et autres dangers naturels. Cela pourrait également aider à améliorer le balayage non destructif d’objets tels que les bagages d’aéroport et les tests de fissures dans les lingots d’or.

L’auteur principal de la recherche, le Dr Ayush Bhandari du département d’ingénierie électrique et électronique de l’Impériale, a déclaré : « Nous avons besoin de capteurs qui capturent toute la gamme de ce que notre environnement a à offrir, et il existe un potentiel illimité pour que les capteurs mesurent des signaux au-delà des humains et des limites technologiques. »

Les dispositifs de détection électroniques contiennent des convertisseurs analogique-numérique (CAN), qui convertissent les informations telles que la lumière et le son des caméras et des microphones en signaux numériques. Cependant, les CAN sont liés par des limites de tension et la saturation se produit lorsqu’un signal entrant dépasse ces limites. La saturation est généralement ressentie sous la forme d’images d’apparence « blanchie » ou d’un son qui saute et saute, en particulier lorsque le stimulus « pics ».

Le Dr Bhandari a ajouté : « Notre nouvelle technique nous permet de capturer une gamme plus complète de stimuli dans d’innombrables exemples de technologie numérique, avec des applications allant de la photographie de tous les jours et des scanners médicaux à l’exploration extraterrestre, la bio-ingénierie et la surveillance des catastrophes naturelles. Le matériel-logiciel L’approche de co-conception ouvre de nouvelles frontières scientifiques pour de nouvelles recherches. »

« Replier » le signal

Pour mener à bien l’étude, les chercheurs ont expérimenté des CAN qui utilisent un échantillonnage « modulo » pour tester si l’utilisation d’un type de tension différent, appelé module, pourrait aider les capteurs à traiter une plus grande gamme d’informations. Un modulo fait référence au reste produit lorsque la tension d’un signal est divisée par la tension maximale de l’ADC.







Crédit : Imperial College de Londres

Ils ont construit un prototype avec un algorithme intégré qui déclenche l’ADC pour passer à la tension modulo une fois que la limite de stimulus est atteinte et « plie » ces signaux en plus petits. Grâce à cela, les chercheurs ont pu convertir les mesures modulo en signaux numériques conventionnels plus petits pouvant être lus par les capteurs existants.

Cette méthode a permis aux ADC de traiter une gamme d’informations beaucoup plus large qu’auparavant. Il pourrait même fournir un « échantillonnage illimité » qui capture avec précision les signaux dont les amplitudes dépassent de loin les limites de tension des CAN.

Le ciel est la limite

Le co-auteur de l’étude et mentoré de premier cycle du Dr Bhandari à l’Imperial, Thomas Poskitt, a déclaré : « Aujourd’hui, nous sommes entourés de capteurs numériques qui constituent une partie cruciale de la révolution numérique. Tous les capteurs numériques ont des limites maximales et minimales à ce qu’ils peuvent détecter, mais nous avons trouvé un moyen de franchir la limite supérieure sans maximum théorique : le ciel est la limite !

« En prenant un modulo du signal, nous maintenons la tension dans la limite et reconstruisons le signal complet, même sans savoir combien de fois la tension a dépassé la limite. Cela peut débloquer une plage dynamique élevée pour tout capteur qui pourrait, par exemple , permettez aux caméras de voir ce que les humains ne peuvent pas. »

Une application importante de la technique sera l’amélioration des caméras sur les voitures sans conducteur. Les caméras des voitures circulant dans un tunnel sont saturées par la soudaine montée de lumière lorsque les voitures émergent, provoquant une perte d’informations vues et mettant en danger la sécurité de la voiture.

En effet, la technologie pourrait éventuellement aider à développer des capteurs capables de traiter des signaux au-delà de ce que les humains peuvent détecter, comme la lumière ultraviolette, infrarouge et d’autres bandes hyperspectrales, à l’aide de capteurs d’imagerie modulo.

Les chercheurs affirment que leurs découvertes surmontent les limitations perçues à la fois dans la détection numérique et dans la manière dont différentes disciplines peuvent travailler ensemble pour résoudre des problèmes communs. Le Dr Bhandari a déclaré : « En combinant de nouveaux algorithmes et un nouveau matériel, nous avons résolu un problème commun, un problème qui pourrait signifier que nos capteurs numériques perçoivent ce que les humains peuvent, et au-delà. »

Le co-auteur de l’étude, le professeur Felix Krahmer de TUM, a déclaré : « La caractéristique clé de notre approche est que si un signal dépasse le seuil de tension, le matériel fait passer le signal de tension à modulo, se réinitialisant essentiellement pour laisser entrer une plus large gamme de signaux.

« Ce qui est nouveau dans le document actuel, c’est qu’il présente la première approche unifiée avec à la fois un prototype matériel adapté aux caractéristiques de calcul de la méthode de reconstruction et un schéma de récupération répondant avec succès aux défis de la mise en œuvre du circuit. »

Ce travail était basé sur les hypothèses énoncées dans la thèse de doctorat du Dr Bhandari et dans l’article de 2017, qui a obtenu un brevet américain en 2020 et a été financé par le programme de bourses pour les futurs leaders britanniques pour la recherche et l’innovation (UKRI) et le Fonds européen des partenaires.

« Unlimited Sampling from Theory to Practice: Fourier-Prony Recovery and Prototype ADC » par Bhandari et al., publié le 16 septembre 2021 dans Transactions IEEE sur le traitement du signal (IEEE Xplore).


Détection numérique à très haut contraste


Fourni par l’Imperial College de Londres

Citation: Détection numérique illimitée déchaînée pour l’imagerie, l’audio et les voitures sans conducteur (2021, 17 septembre) récupéré le 17 septembre 2021 à partir de https://techxplore.com/news/2021-09-unlimited-digital-unleashed-imaging-audio.html

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