視覺處理速度提升400%，可顯著提高自動(dòng)駕駛汽車、無人機(jī)及機(jī)器人的安全性。

一支跨國研究團(tuán)隊(duì)發(fā)布了一套用于自主機(jī)器的新型安全系統(tǒng)，據(jù)稱其對(duì)危險(xiǎn)的響應(yīng)速度比人腦更快。研究詳細(xì)闡述了來自中國、英國、中國香港、沙特阿拉伯和美國的科學(xué)家如何構(gòu)建一種基于硬件的“反射機(jī)制”，以加速自動(dòng)化駕駛決策。

這項(xiàng)突破回應(yīng)了機(jī)器人技術(shù)與自動(dòng)駕駛領(lǐng)域長期存在的擔(dān)憂：機(jī)器在解讀視覺數(shù)據(jù)并應(yīng)對(duì)突發(fā)危險(xiǎn)時(shí)，通常比人類耗時(shí)更長。

以每小時(shí)50英里的速度行駛時(shí)，自動(dòng)駕駛車輛需約0.5秒對(duì)障礙物作出反應(yīng)。在這段時(shí)間內(nèi)，車輛在制動(dòng)前可能已駛出約43英尺（約13.1米）。相比之下，人腦的反應(yīng)時(shí)間約為0.15秒。

機(jī)器反應(yīng)時(shí)間為何成為安全風(fēng)險(xiǎn)

即便配備先進(jìn)處理器，逐幀分析高清圖像仍需耗時(shí)。計(jì)算機(jī)必須判斷畫面中何物在移動(dòng)、移動(dòng)方向以及是否構(gòu)成威脅。這種延遲引發(fā)了外界對(duì)機(jī)器人在不可預(yù)測環(huán)境中運(yùn)行、無人機(jī)及自動(dòng)駕駛汽車安全性的擔(dān)憂。

在真實(shí)交通環(huán)境中，分秒之差至關(guān)重要。響應(yīng)稍慢可能意味著制動(dòng)距離延長、碰撞風(fēng)險(xiǎn)上升。如何在保持精度的前提下縮小人類感知與機(jī)器處理之間的反應(yīng)差距，一直是工程師面臨的難題。

研究團(tuán)隊(duì)聚焦于從硬件層面解決該問題，而非僅依賴軟件升級(jí)。他們的目標(biāo)是在不完全重新設(shè)計(jì)現(xiàn)有攝像系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)更快速的決策。

受人類視覺啟發(fā)的硬件“反射”

科學(xué)家以人類視覺機(jī)制為藍(lán)本設(shè)計(jì)該系統(tǒng)。人腦并不會(huì)分析場景中的每一處細(xì)節(jié)，而是快速察覺突發(fā)運(yùn)動(dòng)或變化并先行反應(yīng)，細(xì)致處理緊隨其后。

該系統(tǒng)的核心是一塊二維突觸晶體管陣列，被描述為高靈敏度運(yùn)動(dòng)探測芯片。它遵循“先濾波后處理”的原則：芯片首先濾除無關(guān)視覺信息，僅識(shí)別場景中的關(guān)鍵變化。

該晶體管僅需100微秒即可感知圖像變化，遠(yuǎn)超人眼感知速度。它能夠?qū)⑦\(yùn)動(dòng)信息保持超過1萬秒，并在超過8000個(gè)工作周期內(nèi)無性能損耗。

捕捉到畫面后，芯片會(huì)忽略完整圖像，僅記錄運(yùn)動(dòng)物體。這些篩選出的信號(hào)隨后被傳輸至標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)視覺算法進(jìn)行深度分析。據(jù)研究顯示，該方法比傳統(tǒng)圖像處理方式快10倍以上。

汽車、無人機(jī)、機(jī)器人性能均獲提升

實(shí)驗(yàn)室測試中，該系統(tǒng)處理運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的速度比現(xiàn)有最先進(jìn)算法快四倍。在理想條件下，其反應(yīng)表現(xiàn)甚至超越人類水平。

研究人員報(bào)告稱，在駕駛測試中危險(xiǎn)探測性能提升213.5%，機(jī)械臂物體抓取能力提升740.9%。在現(xiàn)實(shí)場景中，效率雖有輕微下降，但仍優(yōu)于現(xiàn)有自主系統(tǒng)。

在時(shí)速50英里的情況下，約0.2秒的反應(yīng)時(shí)間提升可使制動(dòng)距離縮短約14.4英尺（約4.4米）。論文共同通訊作者、北京航空航天大學(xué)副教授高碩表示：“我們的方法實(shí)現(xiàn)了四倍提速，在利用時(shí)間先驗(yàn)保持甚至提升精度的同時(shí)，超越了人類水平。”

“我們并未完全推翻現(xiàn)有攝像系統(tǒng)，而是通過硬件插件的方式，讓現(xiàn)有計(jì)算機(jī)視覺算法運(yùn)行速度提升四倍，這在工程應(yīng)用中更具實(shí)用價(jià)值。”他解釋道：“交通事故中，這4米距離往往決定著是發(fā)生碰撞還是險(xiǎn)情化解?！?/p>

對(duì)于小型無人機(jī)，反應(yīng)時(shí)間縮減至少三分之一，續(xù)航能力與飛行性能均獲改善。高碩補(bǔ)充道：“該項(xiàng)目必將推動(dòng)與中國車企及無人機(jī)企業(yè)的深度合作?！?/p>

“我們希望為自動(dòng)駕駛汽車配備這種‘硬件級(jí)反射’系統(tǒng)，使其在應(yīng)對(duì)突發(fā)路況時(shí)能夠比人類更靈敏地響應(yīng)，從而從根本上提升無人系統(tǒng)的安全性?！?/p>

該研究發(fā)表于同行評(píng)議期刊《自然·通訊》。

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