Engenheiros da Universidade de Maryland Criam Câmera Avançada Inspirada no Olho Aprimorando Visão Robótica

Universidade de Maryland, College Park, MD

Um diagrama representando o novo sistema de câmera AMI-EV. (Imagem: Cortesia do Laboratório de Visão Computacional UMIACS)

Mecanismo Inspirado no Olho Humano

Uma equipe liderada por cientistas da computação da Universidade de Maryland inventou um mecanismo de câmera que melhora como robôs veem e reagem ao mundo ao seu redor. Inspirada em como o olho humano funciona, seu sistema inovador de câmera imita os minúsculos movimentos involuntários usados pelo olho para manter visão clara e estável ao longo do tempo. A prototipagem e testes da câmera — chamada Câmera de Eventos Aprimorada por Microssacadas Artificiais (AMI-EV) — foi detalhada em um artigo publicado no jornal Science Robotics em maio de 2024.

"Câmeras de eventos são uma tecnologia relativamente nova melhor em rastrear objetos em movimento que câmeras tradicionais, mas as câmeras de eventos de hoje lutam para capturar imagens nítidas, sem desfoque, quando há muito movimento envolvido", disse o autor principal do artigo Botao He, estudante de doutorado em ciência da computação na Universidade de Maryland. "É um grande problema porque robôs e muitas outras tecnologias, como carros autônomos, dependem de imagens precisas e oportunas para reagir corretamente a um ambiente em mudança. Então, nos perguntamos: Como humanos e animais garantem que sua visão permaneça focada em um objeto em movimento?"

Para a equipe de He, a resposta foram microssacadas, movimentos oculares pequenos e rápidos que ocorrem involuntariamente quando uma pessoa tenta focar sua visão. Através destes movimentos minúsculos mas contínuos, o olho humano pode manter foco em um objeto e suas texturas visuais — como cor, profundidade e sombreamento — com precisão ao longo do tempo.

"Descobrimos que assim como nossos olhos precisam daqueles minúsculos movimentos para manter o foco, uma câmera poderia usar um princípio similar para capturar imagens claras e precisas sem desfoque causado por movimento", disse He.

Implementação Técnica

A equipe replicou com sucesso microssacadas inserindo um prisma rotativo dentro da AMI-EV para redirecionar feixes de luz capturados pela lente. O movimento rotacional contínuo do prisma simulou os movimentos ocorrendo naturalmente dentro de um olho humano, permitindo que a câmera estabilizasse as texturas de um objeto gravado assim como um humano faria. A equipe então desenvolveu software para compensar o movimento do prisma dentro da AMI-EV para consolidar imagens estáveis das luzes em mudança.

Coautor do estudo Yiannis Aloimonos, Professor de Ciência da Computação na Universidade de Maryland, vê a invenção da equipe como um grande passo à frente no reino da visão robótica.

"Nossos olhos tiram fotos do mundo ao nosso redor e essas fotos são enviadas ao nosso cérebro, onde as imagens são analisadas. Percepção acontece através desse processo e é como entendemos o mundo", explicou Aloimonos, que também é diretor do Laboratório de Visão Computacional no Instituto da Universidade de Maryland para Estudos Avançados de Computação (UMIACS). "Quando você está trabalhando com robôs, substitua os olhos por uma câmera e o cérebro por um computador. Melhores câmeras significam melhor percepção e reações para robôs."

Aplicações Amplas

Os pesquisadores também acreditam que sua inovação poderia ter implicações significativas além da robótica e defesa nacional. Cientistas trabalhando em indústrias que dependem de captura precisa de imagem e detecção de forma estão constantemente procurando maneiras de melhorar suas câmeras, e AMI-EV poderia ser uma solução-chave para muitos dos problemas que enfrentam.

"Com suas características únicas, sensores de eventos e AMI-EV estão prontos para assumir o centro do palco no reino de wearables inteligentes", disse a cientista de pesquisa Cornelia Fermüller, autora sênior do artigo. "Elas têm vantagens distintas sobre câmeras clássicas, como desempenho superior em condições extremas de iluminação, baixa latência e baixo consumo de energia. Estas características são ideais para aplicações de realidade virtual, por exemplo, onde uma experiência perfeita e computações rápidos de movimentos de cabeça e corpo são necessárias."

Em testes iniciais, AMI-EV foi capaz de capturar e exibir movimento com precisão em uma variedade de contextos, incluindo detecção de pulso humano e identificação de formas em movimento rápido. Os pesquisadores também descobriram que AMI-EV poderia capturar movimento em dezenas de milhares de quadros por segundo, superando a maioria das câmeras comerciais tipicamente disponíveis, que capturam 30 a 1000 quadros por segundo em média. Esta representação mais suave e realista de movimento poderia ser crucial em qualquer coisa, desde criar experiências de realidade aumentada mais imersivas e melhor monitoramento de segurança até melhorar como astrônomos capturam imagens no espaço.

"Nosso novo sistema de câmera pode resolver muitos problemas específicos, como ajudar um carro autônomo a descobrir o que na estrada é um humano e o que não é", disse Aloimonos. "Como resultado, tem muitas aplicações com as quais grande parte do público já interage, como sistemas de direção autônoma ou até câmeras de smartphone. Acreditamos que nosso novo sistema de câmera está pavimentando o caminho para sistemas mais avançados e capazes por vir."

Para mais informações, contate Georgia Jiang em este e-mail.