Инженеры Северо-Западного университета (Northwestern University) в Эванстоне, штат Иллинойс, разработали энергоэффективную 3D-камеру SpiderCam, принцип работы которой подсмотрели у пауков-скакунчиков (лат. Salticidae). Новая система способна строить трехмерные карты окружающего пространства в реальном времени, потребляя менее одного ватта энергии — меньше, чем обычный ночник. Статья размещена на портале препринтов arXiv.
В отличие от большинства современных 3D-камер, которым требуются либо несколько объективов, либо проецирование света на объекты, SpiderCam определяет расстояние по разнице в размытии двух изображений одной и той же сцены. Для этого камера одновременно делает два снимка с немного разными настройками фокусировки и анализирует различия в четкости деталей.
Секрет — в глазах скакунчика
Исследователи обратили внимание на необычное устройство зрения пауков-скакунчиков. В каждом их глазу находится несколько слоев сетчатки, причем каждый воспринимает изображение с разной глубиной фокуса. Благодаря этому пауки могут очень точно оценивать расстояние перед прыжком за добычей, хотя их мозг (точнее, надглоточный ганглий) по размеру сопоставим с маковым зерном.
SpiderCam воспроизводит этот биологический механизм. Специальный алгоритм анализирует изменения резкости контуров и текстур между двумя снимками и мгновенно переводит их в данные о глубине сцены. Для экономии энергии алгоритм реализовали непосредственно на программируемой микросхеме FPGA, а не на обычном процессоре.
В результате прототип формирует карты глубины с частотой 32,5 кадра в секунду, потребляя всего 624 милливатта. По словам разработчиков, это первая пассивная FPGA-камера трехмерного зрения, работающая при энергопотреблении ниже одного ватта.
Технология может найти применение в носимой электронике, устройствах для людей с ограниченными возможностями, компактных роботах, дронах и системах дополненной реальности, где критически важны автономность и низкое энергопотребление.
Вдохновение от природы
Пауки-скакунчики считаются обладателями одного из самых совершенных зрительных анализаторов среди беспозвоночных и способны различать больше цветов, чем многие другие виды пауков.
В 2019 году ученые уже создавали компактный датчик глубины по мотивам глаз пауков-скакунчиков, однако новая SpiderCam отличается рекордно низким энергопотреблением.
Биомиметика — направление, в котором инженеры заимствуют решения у природы. Помимо пауков, современные роботы уже копируют осьминогов, летучих мышей и различных насекомых.
