Caméra innovante inspirée de l'oeil d'oiseau développée pour une détection améliorée des objets

Les yeux des rapaces peuvent percevoir avec précision leurs proies à des kilomètres de distance. Est-il possible de modéliser la technologie des caméras d’après les yeux des oiseaux ? Les chercheurs ont développé un nouveau type de caméra inspiré des structures et des fonctions des yeux des oiseaux. Une équipe de recherche dirigée par le professeur Kim Dae-Hyeong du Centre de recherche sur les nanoparticules de l'Institut des sciences fondamentales (IBS), en collaboration avec le professeur Song Young Min de l'Institut des sciences et technologies de Gwangju (GIST), a développé un caméra à base de pérovskite spécialisée dans la détection d'objets.

L'ouvrage est publié dans la revue Robotique scientifique.

Les yeux de différents organismes du monde naturel ont évolué et ont été optimisés pour s'adapter à leur habitat. Grâce à d’innombrables années d’adaptation évolutive et de vol à haute altitude, les yeux des oiseaux ont développé des structures et des fonctions visuelles uniques.

Dans la rétine de l’œil d’un animal, il y a une petite fosse appelée fovéa qui réfracte la lumière entrant dans l’œil. Contrairement aux fovéas peu profondes trouvées dans les yeux humains, les yeux des oiseaux ont des fovéas centrales profondes, qui réfractent dans une large mesure la lumière entrante. La région de la densité de cônes la plus élevée se situe dans la fovéa (Figure 1b), permettant aux oiseaux de percevoir clairement les objets éloignés grâce au grossissement (Figure 1c). Cette vision spécialisée est connue sous le nom de vision fovéale.

Alors que les yeux humains ne peuvent voir que la lumière visible, les yeux des oiseaux ont quatre cônes qui répondent à la lumière ultraviolette (UV) ainsi qu'à la lumière visible (rouge, verte, bleue ; RVB). Cette vision tétrachromatique permet aux oiseaux d'acquérir des informations visuelles abondantes et de détecter efficacement les objets cibles dans un environnement dynamique (Figure 1c).

Inspirée par ces capacités, l'équipe de recherche d'IBS a conçu un nouveau type de caméra spécialisée dans la détection d'objets, intégrant une fovéa artificielle et un capteur d'image multispectral qui répond à la fois aux UV et au RVB (Figure 2a).

Tout d’abord, les chercheurs ont fabriqué la fovéa artificielle en imitant la fovéa centrale profonde dans les yeux de l’oiseau (Figure 2b) et ont optimisé la conception grâce à la simulation optique. Cela permet à la caméra d'agrandir des objets cibles distants sans distorsion de l'image.

L’équipe a ensuite utilisé de la pérovskite, un matériau connu pour ses excellentes propriétés électriques et optiques, pour fabriquer le capteur d’image multispectral. Quatre types de photodétecteurs ont été fabriqués en utilisant différents matériaux pérovskites absorbant différentes longueurs d'onde. Le capteur d'image multispectral a finalement été fabriqué en empilant verticalement les quatre photodétecteurs (Figures 2c et 2d).

Le premier co-auteur, le Dr Park Jinhong, déclare : « Nous avons également développé un nouveau processus de transfert pour empiler verticalement les photodétecteurs. En utilisant la méthode de structuration des pérovskites développée dans nos recherches précédentes, nous avons pu fabriquer le capteur d'image multispectral capable de détecter les UV. et RVB sans filtres de couleur supplémentaires.”

Les appareils photo conventionnels qui utilisent un objectif zoom pour agrandir les objets ont l'inconvénient de se concentrer uniquement sur l'objet cible et non sur son environnement. D'autre part, la caméra inspirée de l'œil d'oiseau fournit à la fois une vue agrandie de la région fovéale ainsi qu'une vue environnante de la région périphérique (Figures 3a et 3b).

En comparant les deux champs de vision, la caméra inspirée du bird-eye peut atteindre de meilleures capacités de détection de mouvement que la caméra conventionnelle (Figures 3c et 3d). De plus, la caméra est plus économique et plus légère car elle peut distinguer la lumière UV et RVB sans filtres de couleur supplémentaires.

L'équipe de recherche a vérifié les capacités de reconnaissance d'objets et de détection de mouvement de la caméra développée grâce à des simulations. En termes de reconnaissance d'objets, la nouvelle caméra a démontré un score de confiance de 0,76, soit environ deux fois plus élevé que le score de confiance du système de caméra existant de 0,39. Le taux de détection de mouvement a également augmenté de 3,6 fois par rapport au système de caméra existant, ce qui indique une sensibilité au mouvement considérablement améliorée.

“Les yeux des oiseaux ont évolué pour détecter rapidement et avec précision des objets distants en vol. Notre caméra peut être utilisée dans des domaines qui doivent détecter clairement des objets, tels que les robots et les véhicules autonomes. En particulier, la caméra a un grand potentiel d'application aux drones. opérant dans des environnements similaires à ceux dans lesquels vivent les oiseaux », a fait remarquer le professeur Kim.

Cette technologie de caméra innovante représente une avancée significative dans la détection d’objets, offrant de nombreuses applications potentielles dans divers secteurs.