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來自杜克大學(xué)和法國(guó)尼斯體格研究所的工程師們開辟了一種利用微波來識(shí)別物體的新方法，這種方法提高了準(zhǔn)確性，同時(shí)減少了相關(guān)的計(jì)算時(shí)間和功率需求。
該系統(tǒng)可以在自動(dòng)駕駛汽車、安全掃描和運(yùn)動(dòng)傳感等關(guān)鍵領(lǐng)域提高目標(biāo)識(shí)別和速度。
新的機(jī)器學(xué)習(xí)方法省去了中間環(huán)節(jié)，跳過了創(chuàng)建供人工分析的圖像的步驟，而是直接分析純數(shù)據(jù)。它還聯(lián)合確定最優(yōu)硬件設(shè)置，顯示最重要的數(shù)據(jù)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)最重要的數(shù)據(jù)實(shí)際上是什么。在一項(xiàng)原理驗(yàn)證研究中，該裝置通過數(shù)十次測(cè)量正確識(shí)別了一組三維數(shù)字，而不是通常需要的數(shù)百或數(shù)千次測(cè)量。
研究結(jié)果發(fā)表在12月6日的《先進(jìn)科學(xué)》(Advanced Science)雜志網(wǎng)絡(luò)版上，是杜克大學(xué)(Duke)電子與計(jì)算機(jī)工程杰出教授戴維·r·史密斯(David R. Smith)與杜克大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程助理教授羅克·霍斯特梅爾(Roarke Horstmeyer)的合作成果。
霍斯特邁耶說:“物體識(shí)別系統(tǒng)通常需要進(jìn)行測(cè)量，然后費(fèi)盡周詳?shù)刂谱鞒龉┤藗冇^看和觀賞的圖像。”“但這是低效的，因?yàn)殡娔X根本不需要‘看’一幅圖像?！?/p>
史密斯實(shí)驗(yàn)室的研究助理亞倫·迪堡德補(bǔ)充說:“這種方法繞過了這一步，同意 程序捕捉圖像形成過程可能漏掉的細(xì)節(jié)，同時(shí)忽略它不需要的場(chǎng)景的其他細(xì)節(jié)。”“我們基本上是試圖從機(jī)器的眼睛直接看到物體?！?/p>
在這項(xiàng)研究中，研究人員使用了一種超材料天線，可以將微波波陣面塑造成許多不同的形狀。在這種情況下，超材料是一個(gè)8x8的正方形網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格都包含電子結(jié)構(gòu)，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整來阻撓或傳輸微波。
對(duì)于每一次測(cè)量，智能傳感器都會(huì)選擇一些正方形讓微波通過。這就產(chǎn)生了一種獨(dú)特的微波模式，它會(huì)從被識(shí)別的物體上反彈回來，并返回到另一個(gè)類似的超材料天線上。傳感天線還使用了一個(gè)活動(dòng)的正方形圖案來添加更多的選項(xiàng)來塑造反射波。然后計(jì)算機(jī)分析輸入信號(hào)并試圖識(shí)別目標(biāo)。
通過對(duì)不同的變化重復(fù)這個(gè)過程數(shù)千次，機(jī)器學(xué)習(xí)算法最終會(huì)發(fā)現(xiàn)哪些信息是最重要的，以及發(fā)送和接收天線上的哪些設(shè)置最適合收集這些信息。
史密斯實(shí)驗(yàn)室的研究助理Mohammadreza Imani說:“發(fā)射器和接收器一起工作，由機(jī)器學(xué)習(xí)算法共同設(shè)計(jì)?！薄八鼈兪锹?lián)合設(shè)計(jì)和優(yōu)化的，以捕捉與當(dāng)前任務(wù)相關(guān)的特性。”
“如果你知道你的任務(wù)，你知道會(huì)浮現(xiàn)什么樣的場(chǎng)景，你可能不需要捕捉所有可能的信息，”法國(guó)尼斯體格研究所(Institut de de Nice)博士后菲利普·德爾霍尼(Philipp del Hougne)說。“這種測(cè)量和處理的協(xié)同設(shè)計(jì)使我們能夠利用關(guān)于任務(wù)、場(chǎng)景和測(cè)量約束的所有先驗(yàn)知識(shí)來優(yōu)化整個(gè)傳感過程?！?/p>
經(jīng)過訓(xùn)練后，機(jī)器學(xué)習(xí)算法落在一小組設(shè)置上，這些設(shè)置可以幫助它將數(shù)據(jù)的“小麥”從“谷殼”中分離出來，從而減少了所需的測(cè)量次數(shù)、時(shí)間和計(jì)算能力。傳統(tǒng)微波成像系統(tǒng)通常需要數(shù)百甚至數(shù)千次的測(cè)量，而現(xiàn)在它可以在不到10次的測(cè)量中看到物體。
這種水平的改進(jìn)是否會(huì)擴(kuò)展到更復(fù)雜的傳感應(yīng)用領(lǐng)域，這是一個(gè)懸而未決的問題。但研究人員已經(jīng)在嘗試使用他們的新概念來優(yōu)化下一代計(jì)算機(jī)界面的手部動(dòng)作和手勢(shì)識(shí)別。還有許多其他領(lǐng)域需要改進(jìn)微波傳感，而這些類型的超材料體積小、成本低且易于創(chuàng)造，使它們成為未來器件的有希翼的候選者。
del Hougne說:“微波非常適合應(yīng)用于隱蔽的威脅探測(cè)、識(shí)別道路上無人駕駛汽車的目標(biāo)，或者監(jiān)測(cè)生活輔助設(shè)施的緊急情況。”“當(dāng)你考慮所有這些應(yīng)用時(shí)，你需要盡可能快地感知，所以我們希翼我們的方法將被證明是實(shí)用的，使這些想法成為可靠的現(xiàn)實(shí)?！?/p>