เกาหลีใต้พัฒนาระบบ LiDAR ขนาดเล็กพิเศษ ตรวจวัดได้ถึง 180 องศา ทำแผนที่ 3 มิติได้ในครั้งเดียว

สำหรับเทคโนโลยียานยนต์และรถขับเคลื่อนอัตโนมัติ ในสถานการณ์การใช้งานจริง ต้องการใช้ระบบเซนเซอร์ตรวจวัดถึงสิ่งของรอบตัวได้ในระดับความแม่นยำสูง มีความหลากหลายในการใช้งาน และการประมวลผลข้อมูลแบบ real time ที่เหนือกว่าเทคโนโลยีตรวจวัดทั่วไป จึงเป็นที่มาของเทคโนโลยี LiDAR ซึ่ง LiDAR ย่อมาจากคำว่า Light Detection and Ranging หรือระบบตรวจวัดระยะด้วยแสง ซึ่งเริ่มใช้งานมาตั้งแต่ปี 1960 และปัจจุบันเป็นเทคโนโลยีตรวจวัดระยะที่ได้รับการยอมรับ และมีประโยชน์อย่างยิ่งในการแสดงภาพสามมิติจำลองในพื้นที่เฉพาะจุดที่กำหนดไว้ โดยระบบ LiDAR ทำงานคล้ายกับระบบคลื่นเสียงสะท้อน แต่แทนที่จะเป็นสัญญาณเสียง อุปกรณ์ LiDAR จะส่งแสงเลเซอร์ออกมาในระยะเวลาเสี้ยววินาที จากนั้นก็วัดแสงที่สะท้อนกลับมาเมื่อลำแสงเหล่านั้นชนกับวัตถุ

 

ขณะที่นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีโพฮัง (Pohang) ในเกาหลีใต้ระบุว่า หนึ่งในปัญหาสำคัญที่มีอยู่ของเทคโนโลยี LiDAR คือขอบเขตการมองเห็น หากคุณต้องการสร้างภาพพื้นที่จำลองมุมมองกว้างจากจุดเดียว วิธีเดียวที่จะทำได้คือหมุนอุปกรณ์ LiDAR ด้วยมือ หรือหมุนกระจกเพื่อกำหนดทิศทางลำแสง โดยเครื่องมือประเภทนี้อาจมีขนาดใหญ่ ใช้พลังงานสูง และยังมีแนวโน้มที่จะเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็ว ซึ่งการปรับแก้ทิศทางเครื่องมือดังกล่าวด้วยตนเอง จะทำให้เกิดข้อจำกัดในการสร้างภาพข้อมูลแบบ 3 มิติ 

ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยโพฮัง จึงเลือกวิธีการฉายแสงเลเซอร์โดยใช้ระบบตรวจจับความลึกที่เล็กที่สุดด้วยมุมมองที่กว้างที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ด้วยการใช้เทคโนโลยีเมตาเซอร์เฟซ (Metasurface) เพื่อเบี่ยงเบนแสง โดยพวกเขาเริ่มต้นจากการขึ้นโครงสร้างนาโน 2 มิติ ที่มีความกว้างเพียง 1 ใน 1,000 เทียบกับอัตราส่วนของเส้นผมมนุษย์ มาติดบนวัตถุ 

ที่มาของรูปภาพ POSTECH

จากนั้นทีมวิจัยจึงใช้เลนส์ที่มีลักษณะแบนแบบพิเศษ เพื่อสร้างภาพจำลองได้อย่างมีประสิทธิภาพ ระบบดังกล่าวประกอบด้วยนาโนอาร์เรย์ที่ออกแบบให้มีขนาดเล็ก และมีรูปร่างเฉพาะตัว โดยการทำงานในขณะที่แสงเคลื่อนผ่านเมตาเซอร์เฟซ แสงที่เข้ามาจะถูกแบ่งออกเป็นหลายทิศทาง และด้วยนาโนอาร์เรย์ที่ช่วยเบี่ยงแสง ก็จะทำให้แสงเลเซอร์ดังกล่าวนั้นสามารถเลี้ยวเบนได้เป็นมุมเกือบ 90 องศา กลายเป็นเลนส์อัลตราฟิชอาย (Ultra Fish-eye) ซึ่งให้ภาพกว้างในระดับ 180 องศา จากนั้นจึงเริ่มฉายแสงทดสอบ 

ทีมวิจัยยังพบข้อจำกัดว่า ความเข้มของแสงจะลดลงเมื่อมุมการเลี้ยวเบนมีความรุนแรงมากขึ้น โดยหากจุดเลี้ยวเบนมีรัศมีมุม 10 องศา และแสงสามารถถูกส่งไปยังเป้าหมายได้ความเข้มข้นมากกว่ารัศมีการเลี้ยวเบนที่ 90 องศา ราว 4-7 เท่า นักวิจัยยังกล่าวว่า พวกเขาได้ผลลัพธ์การตรวจวัดที่ดีที่สุดด้วยระยะห่างระหว่างเซนเซอร์กับวัตถุน้อยกว่า 1 เมตร และการเบี่ยงเบนแสงในรัศมี 60 องศา ซึ่งเท่ากับมุมมองกว้าง 120 องศา  

ทั้งนี้ ทีมวิจัยกล่าวว่า ในอนาคตหากมีเลเซอร์ที่มีกำลังสูงมากขึ้น และระบบเมตาเซอร์เฟซที่มีความแม่นยำมากขึ้น จะช่วยเพิ่มความสามารถของระบบตรวจวัดได้ แต่การสร้างภาพความละเอียดสูงในระยะทางที่ไกลกว่าเดิม จะกลายเป็นข้อจำกัดที่ยากที่สุดสำหรับเลนส์มุมกว้างพิเศษเช่นนี้อีกด้วย 

ที่มาของรูปภาพ POSTECH

และข้อจำกัดที่อาจเกิดขึ้นอีกประการหนึ่งคือการประมวลผลภาพ โดยอัลกอริทึมที่ใช้ในการถอดรหัสข้อมูลจากเซนเซอร์เป็นระบบ 3D point cloud ซึ่งมีความซับซ้อนสูง ดังนั้นหากเซนเซอร์เป็นระบบฟูลเฟรมที่มีความละเอียดสูง ที่สามารถถอดรหัสจุดตรวจวัด 3D Point Cloud ได้มากถึง 10,000 จุด ก็จะทำให้หน่วยประมวลผลต้องทำงานหนักมาก และเวลาประมวลผลจะเพิ่มขึ้นตาม และการทำให้ระบบดังกล่าวทำงานด้วยความเร็ว 30 เฟรมต่อวินาที (FPS) แบบเรียลไทม์ ซึ่งเป็นความเร็วที่สัมพันธ์กับสายตาและระบบตอบสนองของมนุษย์ จึงเป็นความท้าทายอย่างยิ่ง

อย่างไรก็ตาม ระบบตรวจวัดนี้มีขนาดเล็กมาก และ Metasurface หรือวัสดุแผ่นเทียมที่มีส่วนประกอบของซิลิคอน ที่สามารถผลิตได้อย่างง่ายดายและยังมีราคาถูก โดยทีมวิจัยทดสอบพิมพ์ระบบตรวจวัดลงบนพื้นผิวแบบโค้งของชุดแว่นตานิรภัยได้ ซึ่งหมายความว่าระบบเมตาเซอร์เฟซ และอุปกรณ์การทำแผนที่เชิงลึก สามารถถูกพกพาไปที่ไหนก็ได้ด้วยขนาดที่เล็กมาก และถูกดัดแปลงไปใช้ในอุปกรณ์ต่าง ๆ เพื่อปรับขอบเขตการมองเห็นให้เป็นมุมที่เหมาะสมสำหรับการใช้งาน ได้อย่างง่ายดาย 

ทีมวิจัยมองว่าอุปกรณ์เหล่านี้มีศักยภาพมหาศาลในอุปกรณ์ต่าง ๆ  เช่น อุปกรณ์เคลื่อนที่ หุ่นยนต์ รถยนต์ไร้คนขับ และสิ่งต่างๆ เช่น แว่นตา VR (Virtual Reality) หรือ AR (Augmented Reality) เทคโนโลยีนี้จึงน่าจับตา ว่าจะนำไปสู่การออกแบบนวัตกรรมใหม่ ๆ ที่มาเสริมความสามารถของโลก Metaverse หรือ เทคโนโลยี VR/AR รวมถึงระบบตรวจวัดในเทคโนโลยียานยนต์อีกด้วย

ที่มาของข้อมูล Pohang University

ที่มาของรูปภาพ POSTECH