清大研發仿視神經AI晶片 教無人機「果蠅式」飛行

出版時間 2020/01/31
清華電機系教授鄭桂忠(前排中)與系神所教授羅中泉(前排左二)跨域合作研發仿生AI晶片。清大提供
清華電機系教授鄭桂忠(前排中)與系神所教授羅中泉(前排左二)跨域合作研發仿生AI晶片。清大提供

無人機近年被廣泛地應用在各領域,但輕巧機體無法承載大量電力,以及負載飛行時的長時間大量運算,因此限制了應用範圍。國立清華大學電機系教授鄭桂忠和系統神經科學研究所教授羅中泉合作,研發仿生物視覺神經AI晶片,讓無人機學習果蠅,以超省電狀態自動閃避障礙物飛行,未來還可應用到無人車、智慧眼鏡、機器手臂等領域。
 
無人裝置利用發射和接收反射的電磁波、紅外線等方式,來避開障礙物,這種模式非常耗電,且容易受到干擾,後來有科學家想要用光學鏡頭攝影並分析影像來閃避障礙,但影像資訊量太大,處理速率難以提升,也解決不了耗電問題。
 
研究仿神經系統的清華大學電機系教授鄭桂忠說:「電腦跑不動、辦不到的,為什麼小小的果蠅卻能輕易做到?牠們飛行時從來不會撞上東西。」鄭桂忠認為,要突破目前AI人工智慧發展限制,一定得向生物取經,於是他找上研究果蠅大腦的系統神經科學研究所教授羅中泉,效法果蠅視覺神經系統,研發仿昆蟲視覺的省電高效AI晶片。
 
但要讓無人機學會像果蠅一樣飛行,得先解決電腦負荷資訊量太大的問題。動態視覺每秒約有30幀畫面,如果看到的每1幀畫面都要分析處理,不僅沒效率,還超耗電。鄭桂忠說,果蠅的眼睛大約只有8百像素,牠的大腦在處理收到的輪廓、對比等視覺訊號時,會自動過濾掉不重要的資訊,也就是「注意力機制」,例如在飛行時自動忽略定點不動的山脈、河川和建築,把焦點放在會動的物體上。
 
研究團隊把注意力機制應用在AI晶片上,用手勢來操作無人機飛行。鄭桂忠以手掌比出5,無人機就會向前飛,比出2就會停下,此時無人機電腦只需要辨識手指邊緣的輪廓,不需要處理整隻手的顏色指紋等等細節,如此一來就能節省運算資源,也就能省電。
 
再來,研究團隊還要教會無人機判斷迎面而來的物體遠近、會不會撞上?羅中泉教授研究果蠅如何偵測「光流」的秘密。光流就是生物移動時周遭景物在視野中留下的相對運動軌跡,大腦可分析光流來了解周遭物體的距離,應用在無人機上,就能在飛行時避開障礙物。
 
羅中泉說,小型無人機無法攜帶重量大或高耗能的裝置,過去採用聲納或雷達避障方式都不適合,另外有人發展以分析光流來避障,但需要複雜數學運算並搭配高速CPU,並不適合小型無人機。仿果蠅視神經偵測光流而開發出的AI網路只用數十個神經元,就能取代需要大量CPU運算的傳統數學演算法,達到高效避障,且只需要1微瓦電量就能辦到,省下千倍電量。
 
研究團隊還有一項重要突破,無論電腦手機都需要把資料從記憶體移到CPU中央處理器來計算,再把結果移回記憶體儲存,人工智慧深度學習計算高達9成功耗和時間都浪費在資料搬移,研究團隊研發仿神經元突觸的AI晶片,可直接在記憶體內計算,大大提升效率。(突發中心林師民/新竹報導)

 AI
清華電機系教授鄭桂忠以手勢操作AI無人機飛行。清大提供
清華系神所教授羅中泉研發出仿果蠅視覺神經模型的網路。清大提供


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