Технології
Технології

Лазер роздивився кімнату крізь замкову щілину і описав позу манекена

Американські вчені захопилися можливістю бачити щось поза зоною прямої видимості та знайшли спосіб використовувати один промінь лазерного світла, щоб бачити кімнату крізь замкову щілину. Їм вдалося підгледіти за манекеном та роздивитися напис «key» (ключ) на довжині хвилі у 670 нанометрів, причому незалежно від того, що об'єкти переміщувалися кожні десять секунд. Презентацію підходу дослідники представили на YouTube-каналі Стенфордської школи комп'ютерної візуалізації та взяли участь у конференції IEEE TCI 2021.

Stanford Computational Imaging Lab / YouTube

Як можна побачити крізь замкову щілину?

Однією з областей вивчення поширення хвиль та оптики є візуалізація та відстеження об'єктів поза зоною прямої видимості (Non-line-of-sight propagation, NLOS). Вона активно розвивається та шукає способів «заглядати» за кут огляду та перешкоди і генерувати зображення об'єктів, які в іншому випадку не потрапили б в об'єктив камери. Так за допомогою серії світлових імпульсів, найчастіше лазерних, що відбивається від поверхонь та прихованих від погляду об'єктів, повертається до датчиків у камері та обробляється алгоритмами. Вони підраховують те, скільки часу знадобилося цим імпульсам, щоб повернутися, і створюють на основі цього зображення. Зазвичай роздільна здатність таких знімків дуже невисока, але достатньо докладна, щоб розрізнити об'єкт. Однак, методи NLOS мають одне велике обмеження — вони залежать від величини поверхні, що здатна відбивати світло. Якщо вона погано реагує на імпульси, то і інформації про неї буде замало. Тому такі підходи лише починають наближатися до робототехніки, медицини чи автономних авто, хоча і вкрай їм потрібні. У цій роботі дослідники запропонували підхід під назвою «формування зображення із замкової щілини», який фіксує послідовність перехідних вимірювань з одного оптичного шляху променя світла, та здатний всього лише через один отвір сформувати зображення того, що знаходиться поза ним.

Як бачить лазер крізь щілину. C. Metzler et al. / IEEE Transactions on Computational Imaging, 2021.

Як бачить лазер крізь щілину. C. Metzler et al. / IEEE Transactions on Computational Imaging, 2021.

За чим підгледіли вчені?

Така техніка візуалізації має на меті використати для побудови зображення всього одну нерухому точку світла, яке проходитиме через крихітний отвір як-то замкова щілина чи вічко. Як і у всіх подібних підходах NLOS, лазерне світло відбивається від стіни, об'єкта в кімнаті, а потім знову від стіни, та при цьому повертається до фотодетектора у камері, який і обробить час їхньої подорожі. Тут вчені використали імпульсний лазер із довжиною хвилі у 670 нанометрів та частотою у десять мегагерців та тривалістю у 30 пікосекунд. Об'єкти за замковою щілиною (а конкретно в експерименті — за отвором перегородки) були по пів метра у висоту та покриті світловідбиваючою стрічкою. Кожні десять секунд їх рухали на 15 сантиметрів, щоб перевірити, чи зможе їх навіть за таких умов зчитати алгоритм. І йому вдалося сформувати доволі впізнавані зображення манекена з піднятою рукою та напис «key» (ключ). Так, зображення манекена набагато більш розмите, але це пов'язане із тим, що він є тривимірним, в той час, як алгоритм, який обробляє зображення, не може цього врахувати.

Схема експерименту. C. Metzler et al. / IEEE Transactions on Computational Imaging, 2021.

Схема експерименту. C. Metzler et al. / IEEE Transactions on Computational Imaging, 2021.

Наскільки точно мене розгледить лазер?

Поки у методу досить багато обмежень — під час експериментів дослідники орієнтувалися лише на рух тіла, не перекривали його та не давали викривлювати відбивання світла. Через обмежену потужність лазерного джерела, їм довелося обмотати манекен і літери світловідбиваючою стрічкою, щоб збільшити силу сигналів, які повертаються. Також, щоб знизити обчислювальну складність, реконструкції були двомірними. Однак, навіть у разі, що вимірювання об'єкта, що рухається зліва направо, не відрізняються від вимірювань горизонтально перевернутого, але в іншому ідентичного об'єкта, що рухається справа наліво, метод показав свою працездатність. Так, на думку вчених, достатньо знайти більш потужний лазер та збільшити обчислювальні можливості, щоб спостерігати за кімнатою крізь замкову щілину на відстані від неї та всього з одним джерелом світла, чого не могла б зробити звичайна камера, навіть якщо її встановити відразу у щілину.