Tisztán látni a ködben is

Az autonóm autók számára a körülöttük lévő világ „látásához” egy képregénybe illő technikát,  hasonló hardverrel dolgozva a Stanford Egyetem kutatói rendszerüket egy rendkívül hatékony algoritmussal fejlesztették tovább, amely háromdimenziós rejtett jeleneteket képes rekonstruálni az egyes fényrészecskék vagy fotonok mozgása alapján. A Nature Communications szeptember 9-én megjelent cikkében részletezett tesztek során rendszerük sikeresen rekonstruálta az 1 hüvelyk vastag habbal eltakart alakzatokat. Az emberi szem számára olyan, mintha falakon keresztül látnánk.

„Sok képalkotó technikával a képek egy kicsit jobban néznek ki, egy kicsit kevésbé zajosak, de ez valóban az a valami, ahol láthatóvá tesszük a láthatatlant” – mondta Gordon Wetzstein, a Stanford elektromérnöki adjunktusa és a tanulmány vezető szerzője. „Ez valóban a határát feszegeti annak, ami bármilyen érzékelőrendszerrel lehetséges. Ez olyan, mint egy emberfeletti látás.”

Ez a technika kiegészít más látórendszereket, amelyek mikroszkopikus léptékben átlátnak a korlátokon – az orvostudományban való alkalmazásokhoz –, mert inkább a nagyméretű alkalmazásokra összpontosít, mint például az önvezető autók navigálása ködben vagy heves esőben, valamint a felszíni műholdas képalkotás.

Szuperlátás szórt fényből

Annak érdekében, hogy átláthasson a fényt minden irányban szóró közegen, a rendszer egy lézert párosít egy szuperérzékeny fotondetektorral, amely rögzíti az őt érő lézerfény minden darabját. Miközben a lézer egy akadályt, például habfalat pásztáz le, időnként egy fotonnak sikerül átjutnia a habon, eltalálnia a mögötte rejtett tárgyakat, majd visszahalad a habon, hogy elérje a detektort. Az algoritmus által támogatott szoftver ezután azt a néhány fotont – és az arról szóló információkat, hogy hol és mikor találja el a detektort – felhasználja a rejtett objektumok 3D-s rekonstrukciójához.

Nem ez az első olyan rendszer, amely képes felfedni a rejtett objektumokat szóró közegeken keresztül, de megkerüli az egyéb technikákkal kapcsolatos korlátozásokat. Például egyesekhez ismeretek szükségesek arról, hogy milyen messze van az érdeklődés tárgya. Az is gyakori, hogy ezek a rendszerek csak a ballisztikus fotonokból származó információkat használnak fel, amelyek olyan fotonok, amelyek a szórómezőn keresztül eljutnak a rejtett objektumhoz és onnan, de anélkül, hogy az út során ténylegesen szórnának.

„Az érdekelt bennünket, hogy képesek legyünk szórványos médián keresztül képeket készíteni ezen feltételezések nélkül, és összegyűjtsük az összes szórt fotont, hogy rekonstruáljuk a képet” – mondta David Lindell, a villamosmérnök végzős hallgató és a cikk vezető szerzője. “Ez különösen hasznossá teszi rendszerünket nagyméretű alkalmazásokban, ahol nagyon kevés ballisztikus foton lenne.”

Annak érdekében, hogy algoritmusukat alkalmazkodni tudjanak a szórás bonyolultságához, a kutatóknak szorosan együtt kellett tervezniük hardverüket és szoftverüket, bár az általuk használt hardverelemek csak valamivel fejlettebbek, mint ami jelenleg az autonóm autókban található. A rejtett objektumok fényességétől függően a szkennelés a tesztjeik során egy perctől egy óráig tartott, de az algoritmus valós időben rekonstruálta a kitakart jelenetet, és laptopon is futtatható volt.

Tér és köd

Egy nap ennek a rendszernek a leszármazottja az űrben más bolygókra és holdakra is eljuthat, hogy segítsen átlátni a jeges felhőkön keresztül a mélyebb rétegekbe és felszínekre. Közelebbi távon a kutatók különböző szórási környezetekkel szeretnének kísérletezni, hogy szimuláljanak más körülményeket, ahol ez a technológia hasznos lehet.

„Izgatottan várjuk, hogy ezt tovább tegyük más típusú szórási geometriákkal” – mondta Lindell. „Tehát nem csak egy vastag anyaglap mögé rejtett tárgyakat, hanem azokat a tárgyakat is, amelyek sűrűn szétszórt anyagba vannak ágyazva, ami olyan, mintha egy köddel körülvett tárgyat látnánk.”

Lindell és Wetzstein is lelkesedik amiatt, hogy ez a munka a tudomány és a mérnöki tudományok mélyen interdiszciplináris metszéspontját jelenti.

“Ezek az érzékelőrendszerek lézerekkel, detektorokkal és fejlett algoritmusokkal rendelkező eszközök, amelyek interdiszciplináris kutatási területre helyezik őket a hardver, a fizika és az alkalmazott matematika között” – mondta Wetzstein. „Ezek mind kritikus, alapvető területek ebben a munkában, és ez a legizgalmasabb számomra.”