Kameralar gitgide daha net görüntüler sunuyor, ancak dünyaları şimdiye kadar iki boyutluydu. Artık bu da değişiyor: Akıllı bir algılayıcı, üç boyutlu görmeyi mümkün kılıyor.
ARABA SAATTE l80 KM HIZLA OTOBANDA İLERLİYOR.
Şoför MP3 çalarında eski bir pop parçasını aramak için Öne eğilmiş, belanın gitgide yaklaşmakta oldu­ğundan bihaber. Yolda kalmış bir otomobil sol şeridi ka­patmış. Fren yapmak için çok geç, çarpışma önlenemez görünüyor. Ancak, adeta görünmez bir kuvvetin müdaha­lesiyle, araba serbest olan sağ şeride kayıyor. Olan biten­den habersiz sürücü o sırada aradığı MP3'ü bulmuş, şar­kıya eslik ediyor: "Gaz veriyorum. Zevk alıyorum." Böyle zeki otomobillere şimdiye kadar yalnızca bilimkurgu filmlerinde rastlanırdı. Ancak Profesör Rudolf Schwarte ütopyayı gerçeğe dönüştürmek için her şeyini ortaya koy­muş. Siegen'deki Zentrum für Sensorsysteme (Sensör Sis­temleri Merkezi) bünyesinde faaliyet gösteren 64 yaşında-
ki bilim adamı, otomobillerin içindeki ve dışındaki olay­ları gözlem altında tutan algılayıcılar geliştiriyor. Bunların sağladığı bilgiler, vahini durumlarda yaşam kurtarıcı rol oynayan sürücüye yardım sistemleri için temel teşkil edi­yor. Schwarte'nin görüşü, bulusu geniş alanda kullanıldığı takdirde trafik kazalarında ölenlerin sayısının yarıya ine­ceği yönünde. "Eğer buradaki çalışmalarımda ilerleme kaydedemezsem, bu binlerce insanın yaşamına mal ola­cak." Kfz endüstrisi bu tip sistemler üzerinde yıllardır ça­lışmaktaydı, ne var ki bu çalışmalar hep belirli sınırlar içinde kalmıştı. Sistemler ya çevrelerinde olup bitenleri yeterince kesin ve hızlı teşhis edemiyorlardı ya da o dere­ce külfetli, hassas ve kapsamlı idiler ki, seri üretimi yapı­lacak bir ürüne entegre edilmeleri söz konusu değildi. Bu
3D GÖRME ŞÖYLE ISLIYOR
»Yarasa ilkesi: Alan derinliği için algılayıcılar
Photomischdetektor (PMD) üç boyutlu görüntüler İçin üretil­miş bir algılayıcı. Yöntem, bir nesneye uzaklığını, gönderdiği ultrasonik sinyallerin yansımasıyla tespit eden yarasanın yön tayin sistemine benziyor.
İLKE: PMD chip'i yarasalarınkinden farklı olarak, sesle değil ışık içtepileriyle çalışıyor. Bir vericiden gönderilen modüle edilmiş ışık sinyali, sözgelimi görünmez kızılötesi ışık, ölçüle­cek sahneyi aydınlatıyor. Nesneden (grafikte bir yayadan) yansıyan ışık, PMD algılayıcısındaki piksel elemanlarına isa­bet ediyor. Algılayıcı modülasyon kaynağına bağlı olduğu için yansımaları çıkış sinyalleri ile karşılaştırabiliyor. Yansıyan ışı­ğın gidiş süresi yoluyla, nesnenin uzaklığı piksel piksel ortaya çıkıyor.
TEKNİK: Bir PN (Pseudo Noise) üreteci, örneğin kızılötesi LED gibi bir bağlı ışık kaynağının yoğunluğunu modüle eden rast­lantısal bir veri kodu üretiyor. Alıcı, nesneden yansıyan ışık dalgalarının faz durumunu belirliyor. Bu sinyallerin referans İle karşılaştırılması PMD'nin bir pikseli çarpması ve bunu ta­kip eden entegrasyon ile gerçekleşiyor.
ZENgin SEÇENEKLER: 3D chip'i sadece iki boyutlu resimleri değil, üç boyutlu olanları da tanıyor. Bu yüzden oto güvenlik sistemleri için olduğu kadar, robot gözü, askeri kullanım veya hareketli üretim bantları için de uygun.
''sorun Siegen'de çözüldü. Profesör Schwarte, Optoelektro-nik ve Photonik alanlarında 20 yılı aşkın araştırmadan sonra bir çığır açtı. Bilim adamı, mekansal bilgileri gerçek zamanlı tespit edebilen eksiksiz bir 3D görüntü algılayıcı­yı tek bir chip'e yerleştirmeyi başararak tüm bilim dünya­sını hayretler içinde bıraktı. Schwarte'nin Photomischde-tektor (PMD) adım verdiği 3D algılayıcı, komple bir op­tik radar alıcısı. Bu algılayıcıyı, aynı tipten binlerce mini alıcıyla birleştirerek dijital fotoğraf makin elerindeki CCD algılayıcıları anımsatan bir matris oluşturacak şekilde ge­nişletmek de mümkün. PMD, nesneyi bir ışın ile yokla­yan tarayıcılı bir mekanik yapı gerektiren klasik çözüm­lerden neredeyse bir milyon kat daha küçük. Aygıtın fiyatı ve masrafları da aynı buna denk düşecek şekilde indir­genmiş: PMD'li bir 3D kamera on binlerce Euro değil, yalnızca yaklaşık 100 Euro tutacak. Endüstrinin bu anah­tar teknolojiye duyduğu ilgi muazzam boyutlarda. Bilim­sel ilerlemelerin gündelik hayata aktarılması çabalan son sürat sürüyor. Siegen Üniversitesi'n e bağlı bir kuruluş olan S-TEC daha şimdiden çeşitli uygulama alanları için örnekler imal ediyor. Audi ile ortak girişim olarak başka bir firma daha kurulmuş bulunuyor: PMD Technologies. Ingolstadt'taki Audi'de "gören otomobillerin prototipleri şimdiden yolları aşındırıyor.
Becerikli robotlar için görme yardımı
PMD teknolojisi, otomobilde çarpışma öncesi algılayıcı, şerit değiştirme asistanı, park etme yardımı veya "zeki" bir hava yastığı için kullanılabiliyor (164'teki kutuya bakı­nız). PMD'ye robotların çevrelerini üç boyutlu algılamala-
» Üç boyutlu bilgiler elde
edebilmek için bin piksel
Dr. Bernd Buxbaum, PMDTechnoiogies
rina yardım edecek bir elektronik göz olarak da şans tanı­nıyor. Böylelikle robot kollar nesneleri zor durumlarda bi­le güvenli biçimde tutabilecek.
Üretim bandındaki imalat ve kontrol süreçleri daha fazla otomatize edilebilecek. Evde toz süpüren robot fikri bile elektronik göz sayesinde yeniden canlanmış. "Evrimin yarattığını taklit etmek İsteyenler 3D tanımayı görmezden gelemez," diyor Schwarte. Mekansal olarak gören bir robot bir anahtarı tutup bununla kapı açabiliyor. Tıp sektörü, minyatürleştirilmiş 3D sistemleri için dev bir pazar olarak görülüyor. Bu alanda ameliyatlarda robotların kullanımı­nın yanı sıra yeni teşhis yöntemleri de düşünülüyor. Böy­lece yakında endoskopide midenin gerçek zamanlı 3D ka­yıtları elde edilebilecek. Bilgisayarlı tomog­rafide zamansal değişikliklerin kapsanma-sıyla yeni olanaklar açılacak. PMD'yi geliş­tirenler için yüksek çözünürlüklü net gö­rüntü üretmek ön planda değil. Bunun ye­rine, her bir piksel için nesneye uzaklık mi­limetre kesinliğinde belirleniyor, bundan da izlenen nesnenin biçimi ortaya çıkarılı-
CHIP | EYLÜL 2003
SÜRÜCÜNÜN YENİ GÖZLERİ
»İçerisi ve dışarısı için algılayıcılar: Otomobiller görmeyi öğreniyor
3D algılayıcıların kullanımı söz konusu olduğunda, başı çekenler otomobil üre­ticileri.
Henüz sadece prototipler mevcut, ama Audi'de görüntü algılayıcılı ilk mo­dellerin 2005 yılında piyasaya sürüleceği konusunda İyimserlik hakim.
ÇARPIŞMA ÖNCESİ: 3D kamera önden ya da arkadan çarpmalar gibi potansiyel tehlike durumlarını zamanında saptayıp derhal imdat frenini çekiyor. Voia koşan bir çocuğun bile farkına varılabiliyor. Al­gılayıcı, hareketleri de kaydettiği için, yeterince fren mesafesi yoksa çarpış­mayı önleyici bir manevra da yapabiliy­or.
ŞERİT DEĞİŞTİRME ASİSTANI: Kör nokta otomatikman gözetleniyor. Sürücü sol­lama sırasında tedbirsiz davranırsa ya
da İki vasıta aynı anda orta şeride geç­mek isterse, bu durum kenardaki al­gılayıcılar tarafından saptanıyor ve dış aynanın yanındaki bir lamba sürücüyü uyarıyor. Kontrol dışı ya da tehlikeli şer­it değişimlerinde, joystick'lerde olduğu gibi force-feedback İle titreyen direk­siyon sürücüyü tehlikeden haberdar ediyor.
ZEKİ HAVA YASTIĞI: Otomobillerdeki hava yastıkları yalnızca içindekiler yer­lerinde doğru oturuyorlarsa kurtarma görevini yerine getiriyor. Sürücünün yanında ot uran yolcunun örneğin ayakkabılarını bağlamak ya da bir şey aramak için o anda öne doğru eğildiğini varsayalım; bu durum iç mekanı gözet­leyen PMD ta rafında n yıldırım hızıyla teşhis ediliyor. Yolcunun basından ağır yaralanmasını engellemek için ön hava yastığı açılıyor ancak tümüyle şişiril-miyor. Çarpışma öncesi algılayıcısıyla bağlantılı olarak, hava yastıkları milisaniyelerle ifade edilen bir süre ka­dar erken etkinleştirilebiliyor.
OTOPİLOT: Hayaller daha da ileri gele­ceğe uzanıyor. Şehirdeki dur kalk trafiğinde ya da yol tıkanıklığında araç-la günün birinde kendiliğinden gaz verecek ve fren yapacaklar. Entegre edilmiş algılayıcılar trafik işaretlerini teşhis edecek ve belki de bunlara tepki gösterecek. Bir düğmeye basıldığında kendiliğinden bir park boşluğuna manevra yapan otomobiller çok pratik olabilir.
TEST ARACI: Işık darbeleri gönderen ve yansımalarını yakalayan PMD otomobilin tavanında yer alıyor.
Elektronik çevresel bakış:
3D sensörler, engellere karsı uyarıyor
ve kor noktayı gözetliyorlar.
UYARI ÜÇGENİ: Kırmızı ışık tehlike olduğunu bildiriyor, sensör, kör noktada başka bir aracı tespit etmiş
Yandan ön çarpışma
yor. Gerçek zamanlı kapsama sayesinde nesnenin hareketi de tespit edilebiliyor. "Daha iyi bir resim oluşturmak için bilgiye ihtiyacımız yok; aksine, çevre hakkında üç boyutlu bilgiler edinmek için birkaç bin piksel işimizi görüyor," açıklamasında bulunuyor PMDTechnologies ve S-TEC teknoloji yöneticisi Dr. Bernd Buxbaum. Oysa bu basitlik, bir başka amaç için uygun değil: Askeri yetkililer aydınlat­ma amaçlı yüksek çözünürlüklü 3D kayıtlarla yakından il­gileniyor. Yeni chip ile üç boyutlu görüntü elde etme bizim "stereo görme"mizden ziyade yarasanın sesle yön bulma­sına benziyor.
İnsan gözünün ağtabakası üzerine yansıyan optik gö­rüntü iki boyutludur ve mekanın derinliği hakkında hiçbir bilgi içermez. Beyin, derinliği, her iki gözün bilgilerinden yola çıkarak hesaplar. İlke itibarıyla göz açıları ile her iki resmin üst üste gelmesi sağlanır, sonra açı ve göz mesafesi üzerinden uzaklık ortaya çıkarılır. "Ama evrim mekansal görme için başka bir yöntem daha ortaya çıkarmış," diye-
2 rek PMD'nin açıklanmasına yarasa örneğini veriyor profesör Schwarte. Hayvan ultrasonik ses dalgaları yolluyor ve yankı süresi üzerinden nesnelerle arasın­daki uzaklığı teşhis ediyor. Ses yerine ışıkla yer tayini­ne doğada rastlanmıyor. Sesten yaklaşık olarak bir milyon kez daha hızlı yayılan ışık içtepilerinden yarar­lanan bilim adamları ise artık bunu başarmış bulunu­yorlar. Ölçüm tekniğinde kısa zaman dilimleriyle ça­lışmak yabana atılacak bir iş değil. Gerçi Profesör Schwarte PMD'nin işleyiş tarzını "şaşırtıcı derecede basit" olarak niteliyor, ama yöntem hüner gerektiri­yor. Nesneden yansıyan sinyalleri değerlendiren gö­rüntü algılayıcının önemi büyük. PMD yalnızca gö­rüntüyü kaydeden bir algılayıcı olmakla kalmayıp ay­nı zamanda görüntüyü referans sinyali ile de karşılaş­tırıyor (163'teki kutuya bakınız). Kesin ölçümlere giden yolda ilk adımın ölçüm kanalı ile referans kana­lının bir araya getirilmesi olduğu biliniyordu: Bu işi yapan diyotlar aynı güçlendirici girişine yerleştiriliyor ve dönüşümlü olarak çalıştırılıyordu. PMD ile gelişti­riciler bir adım daha ileri gitmiş ve birçok hata kayna­ğını devre dışı bırakmış bulunuyor. Her bir piksel için iki fotodiyot yerine, yeni algılayıcı artık yalnızca her iki çıkışı sırayla etkinleştirilen ve okunan tek bir foto-diyota sahip.
Yani PMD alıcısında bulunan algılayıcı hem nesne tarafından yansıtılan ışığı, hem de görüntüyü aydınla­tan düzensiz parlamaların kodunu elde ediyor. Işığın katettiği yolun uzunluğuna bağımlı olarak değişen za­man farkı dışında, her iki sinyal de birbirinin aynı. Aralarındaki fark bir pikselin uzaklığı hakkında iste­nen bilgileri sunuyor.
Karanlıkta bir kilometrelik görüş mesafesi
"Bu sistem karanlıkta ve güçlü güneş ışımasında bile işliyor," diye güvence veriyor Profesör Schwarte. Ar-kaplan ışığından etkilenmediği için büyük uzaklıklar-daki nesneler de yüksek doğruluk payıyla belirlenebi­liyor. Profesör Schwarte, PMD'nin ilk versiyonunda yaklaşık 30 metre civarında olan menzili geliştirmek için keşfini modifiye etmiş. Optik bir görüntüyü doğ­rudan algılayıcıya iletmek yerine, bu görüntünün bir katot tarafından güçlendirilmiş elektronik kopyasını ileterek sinyalleri güçlendiriyor. Böylece artık bir kilo­metre uzaklıktan bile mesafeleri milimetrenin onda biri hassaslığında ayırt etmek mümkün. Bu da Schwarte 'nin gelecekteki uygulamalar için tahmin yü­rütmesini sağlıyor: "Bununla helikopterleri otomatik olarak indirebilir ya da bir uçağın pilotuna iniş pisti­nin 3D görünümünü gösterebiliriz."
M F/ Garo Antikacıoğlu, agaro@chip.com. tr