Naučnici su otkrili način da vide iza zidova?

Zajedno s letenjem i nevidljivošću, visoko na listi želja svakog djeteta je mogućnost da se vidi kroz zidine ili oko zidova ili drugih vizuelnih prepreka. Ta je sposobnost sada veliki korak bliže stvarnosti jer su naučnici sa Univerziteta Wisconsin-Madison i Universidad de Zaragoza u Španjolskoj, izvlačeći iz predavanja klasične optike, pokazali da je moguće slike složenih skrivenih scena slikati projiciranim ” virtualna kamera “da se vidi oko prepreka.

Tehnologija je opisana u današnjem izvještaju (5. augusta 2019.) u časopisu Nature. Nakon što se usavrši, mogla bi se koristiti u širokom rasponu primjena, od odbrane od katastrofe do proizvodnje i medicinskog snimanja. Rad je u velikoj mjeri financiran od strane američke Agencije za napredne istraživačke projekte Ministarstva obrane (DARPA) i NASA-e, koja tehnologiju predviđa kao potencijalni način da se zaviri u skrivene špilje na mjesecu i Marsu.


Tehnologije za postizanje onoga što naučnici nazivaju „snimanje bez pogleda“ razvijaju se već godinama, ali tehnički izazovi ograničili su ih na mutne slike jednostavnih scena. Izazovi koji bi mogli biti prevaziđeni novim pristupom uključuju snimanje daleko složenijih skrivenih scena, razgledavanje više uglova i snimanje video zapisa.

“Ovo snimanje bez snimanja vida već je neko vrijeme prisutno”, kaže Andreas Velten, profesor biostatistike i medicinske informatike sa Medicinskog fakulteta i javnog zdravlja UW-a i senior medicine i javnog zdravlja i viši autor novog studija. “Bilo je dosta različitih pristupa tome.”

Osnovna ideja snimanja izvan linije vida, kaže Velten, okreće se oko korištenja indirektne, reflektirane svjetlosti, svjetlosnog odjeka, kako bi se snimile slike skrivenog prizora. Fotoni iz hiljade impulsa laserske svjetlosti reflektiraju se sa zida ili neke druge površine prema zatamnjenom prizoru, a reflektirano, difuzno svjetlo odbija se do senzora spojenih na kameru. Upućene čestice svjetla ili fotoni potom se koriste za digitalnu rekonstrukciju skrivene scene u tri dimenzije.

“Šaljemo svjetlosne impulse na površinu i vidimo kako se svjetlost vraća, i iz toga vidimo što je u skrivenom prizoru”, objašnjava Velten.

Nedavni rad drugih istraživačkih grupa fokusiran je na poboljšanje kvaliteta regeneracije scene u kontroliranim uvjetima, koristeći male prizore s jedinim objektima. Rad predstavljen u novom Nature izvješću nadilazi jednostavne prizore i bavi se primarnim ograničenjima postojeće tehnologije snimanja nelinearnog vida, uključujući različite materijalne kvalitete zidova i površina skrivenih predmeta, velike varijacije svjetline različitih skrivenih objekata, složene međusobne refleksije svjetla između objekata u skrivenom prizoru i ogromne količine bučnih podataka korištenih za rekonstrukciju većih scena.

Ovi izazovi zajedno sprečili su praktične primjene novih sistema za snimanje nelinearnog vida.

Velten i njegovi kolege, uključujući Diega Gutierreza s Universidad de Zaragoza, preokrenuli su problem, sagledavajući ga kroz konvencionalniju prizmu primjenjujući istu matematiku koja se koristi za interpretaciju slika snimljenih konvencionalnim sistemima vida. Nova metoda nadmašuje uporabu jednog algoritma za obnovu i opisuje novu klasu algoritama za obradu slika koji imaju jedinstvene prednosti.

Konvencionalni sustavi, napominje Gutierrez, interpretiraju razdvojeno svjetlo kao valove, koji se mogu oblikovati u slike primjenom dobro poznatih matematičkih transformacija na svjetlosne valove koji se šire kroz sistem za obradu slike.

U slučaju snimanja nelinearnog vida, izazov snimanja skrivenog prizora, kaže Velten, rješava se reformulacijom problema snimanja nelinearnog vida u problem difrakcije talasa i zatim korištenjem dobro poznatih matematičkih formula pretvara se iz drugih slikovnih sistema radi tumačenja talasa i rekonstrukcije slike skrivene scene. Radeći to, nova metoda pretvara bilo koji difuzni zid u virtualnu kameru.


Ono što smo učinili bilo je da izrazimo problem pomoću talasa “, kaže Velten, koja također drži fakultetske termine na UW-Madisonovom odsjeku za elektrotehničko i računarsko inženjerstvo i na Odjelu za biostatistiku i medicinsku informatiku, a povezana je sa Morgridgeovim institutom za istraživanje i UW -Madison Laboratorija za optičku i računsku instrumentaciju. “Sistemi imaju istu osnovnu matematiku, ali otkrili smo da je naša rekonstrukcija iznenađujuće robusna, čak i koristeći stvarno loše podatke. To možete učiniti s manje fotona. ”

Koristeći novi pristup, Veltenov tim pokazao je da se skriveni prizori mogu zamisliti uprkos izazovima složenosti scene, razlikama u reflektorskim materijalima, raspršenom ambijentalnom svjetlu i različitim dubinama polja za objekte koji čine scenu.

Mogućnost suštinskog projiciranja fotoaparata s jedne površine na drugu sugerira da se tehnologija može razviti do točke u kojoj je moguće vidjeti oko više uglova:
“Da bi to učinili, svjetlost mora proći višestruke refleksije, a problem je kako odvojiti svjetlost koja dolazi s različitih površina? Ova” virtualna kamera “to može učiniti. To je razlog za složenu scenu: događa se više odskoka i složenost scene koju slikamo veća je od onoga što je ranije učinjeno. ”

Prema Veltenu, tehnika se može primijeniti za stvaranje virtualnih projiciranih verzija bilo kojeg sistema za obradu slika, čak i video kamera koje snimaju širenje svjetlosti kroz skrivenu scenu. Veltenov tim, u stvari, koristio je tehniku da stvori video transporta svjetlosti u skrivenom prizoru, omogućavajući vizualizaciju svjetlosti koja odskakuje do četiri ili pet puta, a što, prema naučniku iz Wisconsina, može biti osnova da kamere vide oko sebe više od jednog ugla.


Tehnologija bi se mogla dalje i dramatičnije poboljšati ako se mogu osmisliti nizovi senzora koji će uhvatiti svjetlost reflektiranu sa skrivene scene. Eksperimenti opisani u novom Nature dokumentu ovisili su o samo jednom detektoru.

U medicini ova tehnologija obećava stvari poput robotske hirurgije. Sada je vidno polje hirurga ograničeno, na primer, kada rade osjetljive postupke na oku, a tehnika koju je razvio Velten-ov tim mogla bi pružiti potpuniju sliku onoga što se događa oko zahvata.

Osim što pomaže u rješavanju mnogih tehničkih izazova snimanja nelinearnog vida, tehnologija, napominje Velten, može biti i jeftina i kompaktna, što znači da su aplikacije u stvarnom svijetu samo pitanje vremena.

Izvor:

  1. Xiaochun Liu, Ibón Guillén, Marco La Manna, Ji Hyun Nam, Syed Azer Reza, Toan Huu Le, Adrian Jarabo, Diego Gutierrez & Andreas Velten. Non-line-of-sight imaging using phasor-field virtual wave optics. Nature

You may also like...

Ostavite Vaš komentar

Sva Fizika
%d bloggers like this: