研究人员开发新技术 释放成像、音频和无人驾驶汽车等数字传感器的无限潜力

盖世汽车讯 新的技术可以释放数字传感器的潜力，例如摄像头可以感应不同强度的光，以及麦克风可以感应所有音频。

手机拍摄日落或录制现场演出时，经常会发现图片过度饱和且十分模糊，而视频重放时也总是断断续续的。这是因为摄像头、麦克风等日常数字传感器，甚至地震仪、雷达和超声波系统等科学仪器，都会受到饱和点的影响，从而无法检测到光、声音、地震、温度和其他超出某些物理限制刺激物（stimuli）的实体。

近日，伦敦帝国理工学院（Imperial College London）和慕尼黑工业大学（Technical University of Munich，TUM）的研究人员结合新的硬件和算法，联合开发出新技术，可以释放上述数字传感器的全部潜力。

其应用范围可以从消费者摄影、科学和医学成像到太空探索。例如，该技术可以增加自动驾驶汽车的摄像头和环境传感等仪器的检测范围、提高检测地球和火星地震的地震计的精度和灵敏度，以及扩大有害电离辐射的剂量计的测量范围广，如切尔诺贝利核事故。

（图片来源：伦敦帝国理工学院）

该技术还可应用于改善医学检查，如超声成像和高动态范围（HDR）X射线成像，以及用于改进检测飓风和其他自然危险的传感器的精度和范围。此外，它还可以帮助改进对诸如机场行李和金条裂缝测试等物体的无损扫描。

该研究的主要作者、帝国理工学院电气和电子工程系Ayush Bhandari博士表示：“我们需要传感器来捕捉我们环境所提供的全部范围，且传感器用于无限潜力测量超出当前人类和技术范围内的信号。”

电子传感设备包含模数转换器（ADC），可将来自摄像头和麦克风的光和声音等信息转换为数字信号。然而，ADC受电压限制的约束，当输入信号超过这些限制时就会发生饱和。而饱和呈现出来的效果就是看起来“漂白”的图像，或断断续续的音频，特别是当刺激物突然抵达“峰值”时。

Bhandar博士补充说：“通过此项新技术，我们能够在无数数字技术示例中捕捉到更全面的刺激物。该硬软件协同设计方法为进一步研究开辟了新的前沿方法。”

为开展研究，研究人员对使用“模数（modulo）”采样的ADC进行了试验，以测试使用不同类型的电压（称为模数）是否可以帮助传感器处理更大范围的信息。模数指的是信号电压除以ADC的最大电压时产生的余数。

研究人员构建了一个带有内置算法的原型，一旦达到刺激极限，就会触发ADC切换到模数电压，并将这些信号“折叠”成更小的信号。因此研究人员能够将模数测量转换为现有传感器可以读取的较小的传统数字信号。这种方法可以使ADC处理的信息更加广泛，甚至可以提供“无限采样”，准确捕获幅度远超ADC电压限制的信号。

研究合著者、Bhandar博士在帝国理工学院的本科生导师Thomas Poskitt表示：“如今我们身边充满了数字传感器，而这些传感器是数字革命的重要组成部分。所有数字传感器都有最大和最小的检测范围，但我们找到了一种突破其上限的方法，使其超越理论上的最大值。通过对信号取模，我们可以在不知道电压超过限制次数的情况下，将电压保持在限制范围内并重建完整信号，从而为所有传感器解锁高动态范围，例如使摄像头看到人类看不到的东西。”

该技术的一个重要应用是可以改进无人驾驶汽车上的摄像头。当前方出现车辆，正在通过隧道的汽车上的摄像头会因突然出现的光线而变得饱和，从而导致可见信息的丢失并危及汽车安全。事实上，该最新技术最终可以帮助开发传感器，使用模成像传感器处理超出人类感知范围的信号，如紫外线、红外光和其他高光谱波段。

研究人员表示，此次发现克服了感知局限性，即数字传感和不同学科合作解决常见问题的方式。Bhandari博士表示：“通过结合新算法和新硬件，我们解决了一个常见问题，意味着数字传感器可以感知人类范围内，甚至超越该范围的事物。”

来自TUM的研究合著者Felix Krahmer教授表示：“该方法的关键特征是，如果信号使电压超过阈值，硬件将信号从电压切换到模数，本质上是重置自身以允许更大范围的信号。”

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