自动驾驶汽车如何能看得更清楚？让他们的传感器更有人性
2026年5月1日，一辆Waymo车辆在田纳西州纳什维尔的街道上行驶。 图片来源：Camden Hall/NurPhoto via Getty Images
（神秘的地球uux.cn）据《大众科学》（麦克·德格林）：现代自动驾驶汽车在观察周围世界方面变得相当出色。前提是光线条件理想。一旦遇到雨、雪，或者急救车辆突然发出的强光，情况就变得有些棘手。一个大约像沙粒大小的微小新传感器组件，可以帮助解决这个问题。
这种被称为光度记忆电阻器的新型传感器由宾夕法尼亚州立大学的研究人员设计。它打破了传统的计算机视觉传感器方法，而是从传统的人类眼睛中汲取灵感。本质上，它类似于额外的人工眼睛。测试中，该设备在明亮与黑暗光照环境间的调节速度比当时的方法更快。
人类的眼睛能够轻松且天生地在明暗之间切换。未来自动驾驶车辆将实现同样的能力，即使在恶劣天气下也能提升可靠性。这种额外的帮助将大有裨益，尤其是在像Waymo和Zoox这样的机器人出租车公司准备将越来越多的无人驾驶汽车部署在美国及海外的公共道路上。这些发现本周发表在《自然通讯》杂志上。
宾夕法尼亚州立大学工程师兼研究合著者Larry Chang在一份声明中表示：“通过模仿眼睛的工作方式，我们可以制造出更可靠的光度记忆电阻器，适用于混合光照环境的应用。”
计算机视觉的不足之处
无人驾驶汽车视觉模型（以及所有计算机视觉系统）的质量取决于它们训练的数据。尽管在恶劣天气和奇特光照环境下，大家都做了大量努力提升性能，但快速浏览目前无人驾驶服务的城市，故事却很熟悉。菲尼克斯、旧金山、奥斯汀都以漫长晴朗的白天闻名。
但天气并不是唯一可能让电脑视线出错的因素。更具体地说，这些系统在研究人员所称的混合光照条件下可能会遇到困难。混合光影的一个例子是大多数司机都很熟悉的——在黑暗中沿着一条长而起伏的道路行驶，突然有辆车出现在车道另一侧，开着远光灯。那种从黑暗到对方车灯光，再回到黑暗的突然震动令人迷失方向，但大多数人类司机都能应付，同时保持对周围环境的感知。
这对机器来说更难。团队指出，在同一情景下，一辆被迎面而来的远光灯闪光震晕的无人驾驶汽车可能会短暂失去周围其他人物的踪迹。这可能包括红色红绿灯的微弱光晕，或是一只匆匆掠过的鹿的模糊轮廓。
使用杆状细胞和锥细胞
为了解决这个问题，宾夕法尼亚州立大学的工程师回归基础，研究了人眼在该场景中如何表现良好。我们的眼睛含有杆状细胞和锥状细胞，有助于在黑暗中区分细节。当光源突然变亮时，杆状细胞中的色素会暂时“漂白”并缓慢再生。而锥细胞在此过程中保持不变，这帮助我们在杆状细胞重新调整时保持对比细节。
以这种自然过程为灵感，团队着手制造一种定制光度仪，旨在或多或少复制人眼中杆状细胞和视锥细胞之间的相互作用。他们用两种材料制造了传感器：一种是弹性状的凝胶状塑料和一种称为钛氧化物的粉末状化合物，水在它们之间流动。氧化钛捕捉环境中的光，然后将其转化为电流。这些电压随后通过塑料的导电表面传递。实际上，塑料会吸收更多水分，并在较暗的条件下略微膨胀，而暴露在更多光线下则会使水分脱附。团队指出，这个想法是制造类似眼睛的传感器，能够“动态适应变化的光线条件”。
团队的光电记忆器体积较小，直径仅半毫米。尽管体积庞大，该元件仍能将光能转换为电流，为先进光学系统供能。图片：佳竹提供。版权所有。
这个装置看起来像一个金色方块，里面有一个较小的方块，点缀着细小的孔洞。而且它非常小：一个方块只有半毫米宽，比大多数信用卡都要薄。要使这种类型的传感器在计算机视觉系统中真正工作，需要连接多个部件以形成阵列。
为了测试，团队将多个传感器合并成一个4×4阵列。该阵列随后与神经网络结合，神经网络将像无人驾驶汽车或机器人中的计算机大脑一样运作。合并后，团队将他们的新机器视觉系统通过了你在验光师那里可能看到的标准眼科检查的不同变体。他们在背景上放置一个LED字母“F”，背景灯光由团队控制。配备人工眼的机器视觉系统必须跟踪并识别F，背景从极亮变为极暗。
经过几轮初步训练，系统报告在混合光照条件下识别字母的准确率达到95%。团队表示，这比传统系统更出色。虽然它在那次测试中可能仍不如某些人类的分数，但它确实有了优势。人眼通常需要20到30分钟才能完全适应重大光线变化，但团队指出系统能够在几秒钟内完成调整。
超越汽车的视角
虽然人工眼在这次狭窄测试中表现不错，但实际车辆中的传感器，你在路上看到的还很遥远。团队表示，下一步是将传感器组扩展为一个多模态系统，能够同时处理视觉和触觉数据。不过，最终他们希望这能帮助自动驾驶车辆的视觉更可靠一些。
此外，团队甚至认为，这种人工眼睛的某种版本可能有助于制造人工光学器官，为视障人士提供新的视力。他们说，这双眼睛也可以嵌入类人机器人中，帮助它们更好地在仓库或其他人员通常工作的设施中导航。这一切听起来相当令人印象深刻，但也开始让人毛骨悚然地像反乌托邦电子游戏《赛博朋克2077》中的情节。
