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基于事件驅(qū)動(dòng)方式的仿生視覺圖像傳感器，用于高速場(chǎng)景的拍攝 一、項(xiàng)目分類 關(guān)鍵核心技術(shù)突破、顯著效益成果轉(zhuǎn)化 二、成果簡(jiǎn)介 隨著虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和混合虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（MR）技術(shù)、自動(dòng)駕駛、物聯(lián)網(wǎng)以及機(jī)器視覺等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對(duì)圖像傳感器的采集速度提出了更高的要求。傳統(tǒng)基于“幀”掃描形式的CMOS 或 CCD 圖像傳感器較難滿足高速運(yùn)動(dòng)物體的拍攝需求，若提高相機(jī)的圖像采集幀率，則需要采用高性能且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，大量的圖像會(huì)帶來較大的數(shù)據(jù)冗余，此外，也會(huì)面臨功耗高的問題。 相比于傳統(tǒng)的光電和圖像傳感器，生物視網(wǎng)膜具有許多不可比擬的優(yōu)勢(shì)。視網(wǎng)膜中的光感受器可根據(jù)外界光強(qiáng)的變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)增益，能夠感知超過 180dB 的光強(qiáng)范圍。另外，視網(wǎng)膜基于事件驅(qū)動(dòng)式的采集方式，僅輸出場(chǎng)景中光強(qiáng)發(fā)生變化的信息，因而，能夠?yàn)V除低頻信息帶來的冗余。在信號(hào)處理和傳輸上，采用異步通信的方式，通過神經(jīng)節(jié)細(xì)胞將光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)換為時(shí)空脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)低功耗。 受到生物視網(wǎng)膜的啟發(fā)，研究人員提出了基于事件驅(qū)動(dòng)方式的仿生視覺圖像傳感器，用于高速場(chǎng)景的拍攝。該類傳感器多采用對(duì)數(shù)像素電路作為光強(qiáng)探測(cè)單元，因其動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍寬，可隨機(jī)讀取。然而，對(duì)數(shù)電路在弱光環(huán)境下靈敏度低，幾乎沒有光響應(yīng)，即仍然無法模仿視網(wǎng)膜弱光下的高靈敏度，除此之外，其輸出受到 (Fixed Pattern Noise，F(xiàn)PN)的影響，降低了圖像質(zhì)量。 我們提出了一種兼容 CMOS 工藝的光敏二極管體偏置場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件(PD- body biased MOSFET，簡(jiǎn)稱 PD-MOS)，其結(jié)構(gòu)圖和等效電路如圖 1所示。 利用 PD 的感光特性以及 MOSFET 的正向襯底偏置效應(yīng)實(shí)現(xiàn)集成光強(qiáng)探測(cè)及信號(hào)放大于一體的光電器件。該器件可解決對(duì)數(shù)電路在弱光下靈敏度低的問題，并且提出了一種明暗傳感器的方案以降低噪聲。設(shè)計(jì)成像測(cè)試方案并搭建靜態(tài)圖像采集測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)顯示，通過 MTALAB 進(jìn)行圖像恢復(fù)從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)圖像顯示功能。   圖 1 (a) PD-MOS 器件結(jié)構(gòu)及其 (b) 等效電路圖 經(jīng)過商用 180nm CMOS 工藝流程制備后的器件概貌如圖 2 所示，圖 (a) 為三種不同像素設(shè)計(jì)的芯片實(shí)物圖，從上至下分別為環(huán)形結(jié)構(gòu)、條形結(jié)構(gòu)及對(duì)數(shù)像素電路，將其中的環(huán)形結(jié)構(gòu)在顯微鏡下放大觀察可看到圖 (b) 所示的形貌，圖 (c) 為4個(gè)像素的顯微圖。   圖 2 (a) PD-MOS 成像陣列芯片的實(shí)物圖，(b) 環(huán)形結(jié)構(gòu)芯片在顯微鏡下的放大圖以及 (c) 環(huán)形結(jié)構(gòu)像素放大圖 上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示效果如圖3所示，可以明顯看出兩根頭發(fā)相交。子圖 (a) 為暗態(tài)時(shí)的 100 幀平均灰度圖，子圖 (b) 為暗態(tài)時(shí)的曲面圖，子圖 (c) (e) (g) (i) 為光態(tài)下的圖，子圖 (d) (f) (h) (j) 為光態(tài)下的圖像數(shù)據(jù)減去暗態(tài)下圖像數(shù)據(jù)的降噪圖，可以發(fā)現(xiàn)在30nw/cm2 輻照度下已經(jīng)出現(xiàn)頭發(fā)的輪廓，當(dāng)輻照度繼續(xù)增加，頭發(fā)的輪廓越來越清晰，當(dāng)輻照度達(dá)到 3mw/cm2，仍然可以看到頭發(fā)的輪廓。   圖 3 陣列芯片采集的圖像 不同于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的圖像采集方式，生物視覺系統(tǒng)的成像由視野場(chǎng)景中發(fā)生的事件觸發(fā)，且生物視網(wǎng)膜具有寬動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍、超低功耗以及異步傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，這為仿生視覺系統(tǒng)的研究提供了全新的思路。隨著物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛以及安防等領(lǐng)域的快速發(fā)展，它們對(duì)高速動(dòng)態(tài)圖像傳感器的需求也日益提升。近些年，針對(duì)這些需求，研究人員提出了一種用于采集高速動(dòng)態(tài)信息的類視網(wǎng)膜相機(jī)，成為了一大熱點(diǎn)研究方向。類視網(wǎng)膜相機(jī)的工作原理模擬了生物視網(wǎng)膜事件驅(qū)動(dòng)型的采集方式及異步型的傳輸模式，為動(dòng)態(tài)視覺成像提供了硬件基礎(chǔ)。綜上，該類傳感器的研究具有十分重要的科研意義和深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

項(xiàng)目簡(jiǎn)介： 發(fā)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)

微晶玻璃腔體是激光陀螺的重要元件和組成部分，為了降低對(duì)進(jìn)口材料的依賴程度、提高國(guó)產(chǎn)化水平，對(duì)國(guó)產(chǎn)微晶玻璃腔體在激光陀螺批量化生產(chǎn)中的可行性進(jìn)行分析，主要研究?jī)?nèi)容包括：國(guó)產(chǎn)微晶玻璃的制造工藝；采用國(guó)產(chǎn)微晶玻璃腔體與采用進(jìn)口微晶玻璃腔體的激光陀螺性能比較；使用國(guó)產(chǎn)微晶玻璃腔體激光陀螺樣機(jī)。使用國(guó)產(chǎn)化微晶玻璃腔體激光陀螺樣機(jī)零偏穩(wěn)定性和溫度零偏變化率能夠達(dá)到現(xiàn)有水平。

湖南大學(xué)設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院數(shù)據(jù)智能與服務(wù)協(xié)同實(shí)驗(yàn)室（DISCO Lab）發(fā)起并聯(lián)合湖南大學(xué)嵌入式與網(wǎng)絡(luò)計(jì)算湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)防科技大學(xué)高性能計(jì)算國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中山大學(xué)大數(shù)據(jù)與計(jì)算智能研究所等科研單位師生，歷時(shí)十天，從無到有、響應(yīng)關(guān)切，快速開發(fā)上線了“急物幫”疫情公益微信小程序，助力社區(qū)居民應(yīng)急生活物資供需和網(wǎng)格化管理。 解決的主要困難：為民眾提供物資供應(yīng)信息，助力防疫工作；搜集物價(jià)線索，信息透明公開；線上線下結(jié)合，實(shí)體虛擬融合。基本功能：結(jié)合地理位置收集物資信息，構(gòu)建周邊物資數(shù)據(jù)庫(kù)；搜索周邊物資信息，規(guī)劃購(gòu)買行程；發(fā)布物資求助信息，從線上社區(qū)中獲得反饋。 

給體片段以氟原子修飾的n型給受體聚合物熱電材料，利用聚合物鏈間的給受體相互作用維持聚合物的電子遷移率，通過引入氟原子增加聚合物的電子親和性以提高n摻雜效率，兩者的協(xié)同作用大幅度提高了聚合物的n型電導(dǎo)率。通過進(jìn)一步提高聚合物的塞貝克系數(shù)，成功地將n型給受體聚合物的熱電性能提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)。引入氟原子的聚合物的n型電導(dǎo)率提升至1.3 S/cm，功率因子提升至4.6 μW/mK2，是目前n型給受體聚合物熱電材料的最佳性能。?通過對(duì)聚合物在摻雜狀態(tài)下的電子順磁共振譜、紫外光電子能譜和X射線光電子能譜的表征證明了氟原子的引入提高了聚合物的n摻雜能力。場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件結(jié)果則表明氟原子的引入提高了聚合物在n摻雜狀態(tài)下的電子遷移率。這兩者的協(xié)同作用使得該聚合物的電導(dǎo)率相比沒有引入氟原子的聚合物提高了1000倍。此外，掠入射X射線衍射、原子力顯微鏡以及導(dǎo)電原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)證明了氟原子的引入改變了聚合物的分子排列，提高了聚合物與摻雜劑的混溶性，使聚合物從“局部摻雜”的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤熬鶆驌诫s”狀態(tài)，從而維持了摻雜聚合物較高的n型塞貝克系數(shù)。

設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于煤礦井下的多功能感知器終端，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦井下的環(huán)境參數(shù)的采集、工作狀況的圖像數(shù)據(jù)采集以及語(yǔ)音通信功能。進(jìn)行了遠(yuǎn)距離低功耗無線感知系統(tǒng)及其在礦井人員定位與避險(xiǎn)中的應(yīng)用研究，提出了一種用于井下特殊環(huán)境的無線傳感網(wǎng)技術(shù)，即基于 super-zigbee 技術(shù)的無線傳感網(wǎng)。以煤礦物聯(lián)網(wǎng)感知層為突破口，對(duì)煤礦安全信息感知采集技術(shù)、煤礦信息融合、識(shí)別與協(xié)同技術(shù)、煤礦傳感網(wǎng)控制技術(shù)、煤礦傳感網(wǎng)絡(luò)安全生產(chǎn)等關(guān)鍵技術(shù)開展了研究，研發(fā)了“基于物聯(lián)網(wǎng)感知的煤礦設(shè)備智能管理系統(tǒng)”和“基于物聯(lián)網(wǎng)的工礦企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)診斷與管理系統(tǒng)”，提高了煤礦設(shè)備的可靠性和管理水平。針對(duì)單獨(dú)靜態(tài)分簇、動(dòng)態(tài)分簇的不足，通過對(duì)感知區(qū)域進(jìn)行智能分區(qū)并將選擇簇頭及檢測(cè)目標(biāo)等參數(shù)進(jìn)行綜合考慮，提出了一種靜動(dòng)態(tài)分簇技術(shù)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)策略。基于改進(jìn)后的自適應(yīng)卡爾曼濾波器優(yōu)化的智能分區(qū)靜動(dòng)態(tài)分簇方法使得移動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)精度明顯提高，網(wǎng)絡(luò)能耗顯著降低，使移動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)性能達(dá)到了更好效果。

研究團(tuán)隊(duì)擁有可進(jìn)行污染物分析的氣質(zhì)聯(lián)用儀和塵螨分析儀，可對(duì)室內(nèi) VOC采樣柱、灰塵取樣等進(jìn)行 SVOC、VOCs、苯系物、塵螨等過敏原進(jìn)行分析。

智慧公路物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通過在公路廣泛部署低成本的集成多種傳感器的具有通信功能的智慧無線信標(biāo)產(chǎn)品實(shí)時(shí)獲取路況信息，實(shí)現(xiàn)車流量、車速、車型的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)時(shí)空統(tǒng)計(jì)，通過設(shè)備的廣泛部署實(shí)現(xiàn)高精度、大范圍的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，為智能交通系統(tǒng)高效管理與養(yǎng)護(hù)提供交通與環(huán)境態(tài)勢(shì)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)、識(shí)別和態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)，為交通決策提供科學(xué)依據(jù)與數(shù)據(jù)支持。其次針對(duì)公路場(chǎng)景下定位誤差較大等問題，采用 GPS 定位、慣性導(dǎo)航與物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備結(jié)合的新型多重組合定位方法，通過車路協(xié)同實(shí)現(xiàn)車道級(jí)的高精定位，優(yōu)化車輛偏離預(yù)警等功能，為車輛提供準(zhǔn)確的位置信息及導(dǎo)航與綜合服務(wù)功能。最后通過車路協(xié)同環(huán)境下車載終端、路側(cè)多源異構(gòu)傳感器協(xié)作環(huán)境數(shù)據(jù)采集、多維度感知融合與超視距全局環(huán)境態(tài)勢(shì)構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)智能交通系統(tǒng)全息實(shí)時(shí)交通、路況環(huán)境感知及智能網(wǎng)聯(lián)汽車超視距精準(zhǔn)環(huán)境感知與精準(zhǔn)定位。智慧公路物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)旨在突破制約高速公路智能車路協(xié)同系統(tǒng)集成應(yīng)用的重大共性關(guān)鍵技術(shù)，開展典型示范應(yīng)用，提升高速公路的智能化水平和服務(wù)品質(zhì)，促進(jìn)全國(guó)范圍大規(guī)模推廣。 目前，如圖 1 所示，技術(shù)成果已經(jīng)研發(fā)出第三版樣機(jī)。樣機(jī)已經(jīng)小批量生成并在齊魯高速、長(zhǎng)安大學(xué)測(cè)試場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)際部署測(cè)試。此外，項(xiàng)目組正在對(duì)第三版樣機(jī)進(jìn)行改造升級(jí)，全力打造穩(wěn)定性更強(qiáng)功能更加豐富的第四版樣機(jī)。 圖 1 第一版樣機(jī)；第二版樣機(jī)；第三版樣機(jī) 主要技術(shù)指標(biāo) 1. 節(jié)能增收 20% 通過對(duì)城市邊緣交通環(huán)境及流量等數(shù)據(jù)的智能分析，優(yōu)化燈光使用場(chǎng)景。該系統(tǒng)在滿足車輛日夜間安全行車條件下，工程綜合節(jié)能可達(dá) 20%。 2. 交通流量增加 20% 通過對(duì)交通運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警及控制策略處理模塊將路段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總后，根據(jù)車流密度、速度、流量、各級(jí)風(fēng)險(xiǎn)事件結(jié)合其它傳感器數(shù)據(jù)，包括上游主線流量、匝道流量、公路氣候數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、消防系統(tǒng)數(shù)據(jù)等，進(jìn)行大數(shù)據(jù)綜合分析研判。 構(gòu)建算法模型，自動(dòng)制定和優(yōu)化的控制策略，通過智能預(yù)警發(fā)布及綜合自動(dòng)管控系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警發(fā)布和綜合自動(dòng)管控。為管理者實(shí)時(shí)預(yù)警的同時(shí)，將預(yù)警、誘導(dǎo)信息和控制指令自動(dòng)發(fā)布于上游路段、匝道區(qū)段的可變信息標(biāo)志、可變限速標(biāo)志、車道線主動(dòng)發(fā)光標(biāo)志等，對(duì)交通流速及交通流量進(jìn)行有效調(diào)控及誘導(dǎo)。綜合評(píng)估能增加 20% 交通流量。 3. 減少交通事故 30% 任何異常事件報(bào)警被觸發(fā)時(shí)，系統(tǒng)同時(shí)依據(jù)預(yù)案自動(dòng)將異常事件聯(lián)動(dòng)燈光預(yù)警、可變信息標(biāo)志、可變限速標(biāo)志、車道指示標(biāo)志等自動(dòng)發(fā)布預(yù)警給司乘人員，實(shí)現(xiàn)對(duì)車流車速的動(dòng)態(tài)調(diào)控和誘導(dǎo)，增加公路通容量，減少交通擁堵，防止二次事故和連環(huán)事故的發(fā)生。 實(shí)踐證明，采用該系統(tǒng)，至少可以降低公路安全事故 30%，同時(shí)提高交通流量，進(jìn)而降低交通污染，均衡交通流平順性，信息的及時(shí)推送，降低駕駛員駕駛緊張感，提高了駕駛員的舒適性，可以整體有效提高交通運(yùn)輸設(shè)施安全水平及服務(wù)水平。 4. 100% 信息覆蓋 全自動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整條公路的全面信息覆蓋。 5. 對(duì)接智能網(wǎng)聯(lián)駕駛 a. 提供智能網(wǎng)聯(lián)車實(shí)時(shí)交通圖，推薦進(jìn)場(chǎng)事件和速遞協(xié)調(diào)； b. 告知智能網(wǎng)聯(lián)車輛風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)時(shí)定位公路中的駕駛風(fēng)險(xiǎn)，將這些風(fēng)險(xiǎn)傳達(dá)給下游智能網(wǎng)聯(lián)車輛； c. 為智能網(wǎng)聯(lián)車提供車道級(jí)交通數(shù)據(jù)，警告即將來到的交通擁堵； d. 識(shí)別相關(guān)車道的駕駛風(fēng)險(xiǎn)，促使智慧駕駛車輛提前做出反應(yīng)； e. 為智能網(wǎng)聯(lián)駕駛提供超視距感知、惡劣天氣環(huán)境下的精準(zhǔn)感知，促進(jìn)智能網(wǎng)聯(lián)車早日實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用。