Видеть сквозь облака и туман с помощью нового алгоритма

Используя новый алгоритм, исследователи из Стэнфорда реконструировали движение отдельных частиц света, чтобы видеть сквозь облака, туман и другие препятствия.

Подобно ожившему комиксу, исследователи из Стэнфордского университета разработали своего рода рентгеновское зрение - только без рентгеновских лучей. Работая с аппаратным обеспечением, аналогичным тому, что позволяет автономным автомобилям «видеть» окружающий мир, исследователи усовершенствовали свою систему с помощью высокоэффективного алгоритма, который может восстанавливать трехмерные скрытые сцены на основе движения отдельных частиц света или фотонов. В ходе испытаний, подробно описанных в статье, опубликованной 9 сентября в Nature Communications , их система успешно реконструировала формы, скрытые пеной толщиной 1 дюйм. Для человеческого глаза это похоже на вид сквозь стены.

«Многие методы визуализации делают изображения немного лучше, немного менее шумными, но именно здесь мы делаем невидимое видимым», - сказал Гордон Ветцштейн , доцент кафедры электротехники в Стэнфорде автор статьи. «Это действительно раздвигает границы того, что может быть с любым типом сенсорной системы. Это похоже на сверхчеловеческое видение ».

Этот метод дополняет другие системы зрения, которые могут смотреть сквозь препятствия в микроскопическом масштабе - для приложений в медицине - потому что он больше ориентирован на крупномасштабные ситуации, такие как навигация на беспилотных автомобилях в тумане или сильном дожде, спутниковая съемка поверхности Земли и другие планеты сквозь туманную атмосферу.

Сверхзрение от рассеянного света

Чтобы видеть сквозь окружающую среду, которая рассеивает свет во всех направлениях, система соединяет лазер со сверхчувствительным детектором фотонов регистрирует каждый бит лазерного света, который попадает на него. Когда лазер сканирует препятствие, такое как стена из пенопласта, случайный фотон может пройти сквозь пену, отразиться от скрытых за ним объектов и пройти обратно через пену, чтобы достичь детектора. Программное обеспечение с поддержкой алгоритма  использует эти фотоны и показывает изображение скрытых объектов в 3D формате.

Это не первая система, способная обнаруживать скрытые объекты через рассеивающую среду, но она позволяет обойти ограничения, связанные с другими методами. Например, некоторые требуют знания о том, как далеко находится интересующий объект. Также часто эти системы используют информацию только от баллистических фотонов, которые перемещаются к скрытому объекту и от него через поле рассеивания.

«Мы были заинтересованы в том, чтобы получить изображение через рассеивающую среду без предположений и собрать все рассеянные фотоны для восстановления изображения», - сказал Дэвид Линделл, аспирант в области электротехники и ведущий автор статьи. «Это делает нашу систему особенно полезной для крупномасштабных приложений, где будет очень мало баллистических фотонов».

Чтобы сделать свой алгоритм поддающимся сложностям рассеивания, исследователям пришлось тесно сотрудничать со своим аппаратным и программным обеспечением, хотя аппаратные компоненты, которые они использовали, лишь немного более продвинуты, чем то, что в настоящее время находится в автономных установках. В зависимости от яркости скрытых объектов сканирование в их тестах занимало от одной минуты до одного часа, но алгоритм реконструировал скрытую сцену в реальном времени и мог работать на ноутбуке.

«Вы не могли видеть сквозь пену собственными глазами, и даже просто глядя на измерения фотонов с детектора, вы действительно ничего не видите», - сказал Линделл. «Но с помощью всего лишь нескольких фотонов алгоритм реконструкции может выявить эти объекты - и вы можете увидеть не только то, как они выглядят, но и где они находятся в трехмерном пространстве».

Космос и туман

Когда-нибудь потомок этой системы может быть отправлен через космос на другие планеты и луны, чтобы помочь увидеть сквозь ледяные облака более глубокие слои и поверхности. В ближайшем будущем исследователи хотели бы поэкспериментировать с различными средами рассеивания, чтобы смоделировать другие разделы, в которых эта технология могла бы быть полезной.

«Мы рады продвинуть это дальше с другими типами геометрии рассеивания», - сказал Линделл. «Итак, не просто объекты, спрятанные за толстым слоем материала, но и объекты, погруженные в плотно рассеивающий материал, что было бы похоже на наблюдение объекта, окруженного туманом».

Линделл и Ветцштейн также с энтузиазмом относятся к тому, что эта работа представляет собой глубоко междисциплинарное пересечение науки и техники.

«Эти сенсорные системы представляют собой устройства с лазерами, детекторами и передовыми алгоритмами, что ставит их в междисциплинарную область исследований между аппаратным обеспечением, физикой и прикладной математикой», - сказал Ветцштейн. «Все это важные, ключевые области в этой работе, и это для меня самое волнующее».

Исследователи Стэнфорда изобретают способ видеть сквозь облака и туман.

Первоисточник

0 комментариев

    Добавить комментарий

    Чтобы добавить комментарий, зарегистрируйтесь или войдите