蓋世汽車訊 新的技術可以釋放數(shù)字傳感器的潛力，例如攝像頭可以感應不同強度的光，以及麥克風可以感應所有音頻。

手機拍攝日落或錄制現(xiàn)場演出時，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)圖片過度飽和且十分模糊，而視頻重放時也總是斷斷續(xù)續(xù)的。這是因為攝像頭、麥克風等日常數(shù)字傳感器，甚至地震儀、雷達和超聲波系統(tǒng)等科學儀器，都會受到飽和點的影響，從而無法檢測到光、聲音、地震、溫度和其他超出某些物理限制刺激物（stimuli）的實體。

近日，倫敦帝國理工學院（Imperial College London）和慕尼黑工業(yè)大學（Technical University of Munich，TUM）的研究人員結合新的硬件和算法，聯(lián)合開發(fā)出新技術，可以釋放上述數(shù)字傳感器的全部潛力。

其應用范圍可以從消費者攝影、科學和醫(yī)學成像到太空探索。例如，該技術可以增加自動駕駛汽車的攝像頭和環(huán)境傳感等儀器的檢測范圍、提高檢測地球和火星地震的地震計的精度和靈敏度，以及擴大有害電離輻射的劑量計的測量范圍廣，如切爾諾貝利核事故。

（圖片來源：倫敦帝國理工學院）

該技術還可應用于改善醫(yī)學檢查，如超聲成像和高動態(tài)范圍（HDR）X射線成像，以及用于改進檢測颶風和其他自然危險的傳感器的精度和范圍。此外，它還可以幫助改進對諸如機場行李和金條裂縫測試等物體的無損掃描。

該研究的主要作者、帝國理工學院電氣和電子工程系Ayush Bhandari博士表示：“我們需要傳感器來捕捉我們環(huán)境所提供的全部范圍，且傳感器用于無限潛力測量超出當前人類和技術范圍內的信號?！?/p>

電子傳感設備包含模數(shù)轉換器（ADC），可將來自攝像頭和麥克風的光和聲音等信息轉換為數(shù)字信號。然而，ADC受電壓限制的約束，當輸入信號超過這些限制時就會發(fā)生飽和。而飽和呈現(xiàn)出來的效果就是看起來“漂白”的圖像，或斷斷續(xù)續(xù)的音頻，特別是當刺激物突然抵達“峰值”時。

Bhandar博士補充說：“通過此項新技術，我們能夠在無數(shù)數(shù)字技術示例中捕捉到更全面的刺激物。該硬軟件協(xié)同設計方法為進一步研究開辟了新的前沿方法?！?/p>

為開展研究，研究人員對使用“模數(shù)（modulo）”采樣的ADC進行了試驗，以測試使用不同類型的電壓（稱為模數(shù)）是否可以幫助傳感器處理更大范圍的信息。模數(shù)指的是信號電壓除以ADC的最大電壓時產生的余數(shù)。

研究人員構建了一個帶有內置算法的原型，一旦達到刺激極限，就會觸發(fā)ADC切換到模數(shù)電壓，并將這些信號“折疊”成更小的信號。因此研究人員能夠將模數(shù)測量轉換為現(xiàn)有傳感器可以讀取的較小的傳統(tǒng)數(shù)字信號。這種方法可以使ADC處理的信息更加廣泛，甚至可以提供“無限采樣”，準確捕獲幅度遠超ADC電壓限制的信號。

研究合著者、Bhandar博士在帝國理工學院的本科生導師Thomas Poskitt表示：“如今我們身邊充滿了數(shù)字傳感器，而這些傳感器是數(shù)字革命的重要組成部分。所有數(shù)字傳感器都有最大和最小的檢測范圍，但我們找到了一種突破其上限的方法，使其超越理論上的最大值。通過對信號取模，我們可以在不知道電壓超過限制次數(shù)的情況下，將電壓保持在限制范圍內并重建完整信號，從而為所有傳感器解鎖高動態(tài)范圍，例如使攝像頭看到人類看不到的東西?！?/p>

該技術的一個重要應用是可以改進無人駕駛汽車上的攝像頭。當前方出現(xiàn)車輛，正在通過隧道的汽車上的攝像頭會因突然出現(xiàn)的光線而變得飽和，從而導致可見信息的丟失并危及汽車安全。事實上，該最新技術最終可以幫助開發(fā)傳感器，使用模成像傳感器處理超出人類感知范圍的信號，如紫外線、紅外光和其他高光譜波段。

研究人員表示，此次發(fā)現(xiàn)克服了感知局限性，即數(shù)字傳感和不同學科合作解決常見問題的方式。Bhandari博士表示：“通過結合新算法和新硬件，我們解決了一個常見問題，意味著數(shù)字傳感器可以感知人類范圍內，甚至超越該范圍的事物?！?/p>

來自TUM的研究合著者Felix Krahmer教授表示：“該方法的關鍵特征是，如果信號使電壓超過閾值，硬件將信號從電壓切換到模數(shù)，本質上是重置自身以允許更大范圍的信號?！?/p>

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