Forskere designer system til at visualisere objekter gennem skyer og tåge

Som en tegneserie kommer til live, forskere ved Stanford University har udviklet en slags røntgensyn – kun uden røntgenstrålerne. At arbejde med hardware svarende til det, der gør det muligt for autonome biler at "se" verden omkring dem, forskerne forbedrede deres system med en meget effektiv algoritme, der kan rekonstruere tredimensionelle skjulte scener baseret på bevægelsen af ​​individuelle lyspartikler, eller fotoner. I test, detaljeret i et papir offentliggjort 9. september i Naturkommunikation , deres system rekonstruerede med succes former skjult af 1 tomme tykt skum. For det menneskelige øje, det er som at se gennem vægge.

"Mange billedteknikker får billeder til at se en lille smule bedre ud, lidt mindre støjende, men det er virkelig noget, hvor vi gør det usynlige synligt, " sagde Gordon Wetzstein, assisterende professor i elektroteknik ved Stanford og seniorforfatter af papiret. "Dette skubber virkelig grænsen for, hvad der kan være muligt med enhver form for sansesystem. Det er ligesom overmenneskeligt syn."

Denne teknik komplementerer andre synssystemer, der kan se gennem barrierer på mikroskopisk skala - til anvendelser i medicin - fordi den er mere fokuseret på situationer i stor skala, såsom at navigere i selvkørende biler i tåge eller kraftig regn og satellitbilleder af Jordens overflade og andre planeter gennem diset atmosfære.

Supersight fra spredt lys

For at se gennem miljøer, der spreder lys hver-hvilken vej, systemet parrer en laser med en superfølsom fotondetektor, der registrerer hver en smule laserlys, der rammer den. Mens laseren scanner en forhindring som en mur af skum, en lejlighedsvis foton vil nå at passere gennem skummet, ram på genstandene, der er gemt bagved, og gå tilbage gennem skummet for at nå detektoren. Den algoritme-understøttede software bruger så de få fotoner – og information om hvor og hvornår de rammer detektoren – til at rekonstruere de skjulte objekter i 3-D.

Dette er ikke det første system med evnen til at afsløre skjulte objekter gennem spredningsmiljøer, men det omgår begrænsninger forbundet med andre teknikker. For eksempel, nogle kræver viden om, hvor langt væk genstanden af ​​interesse er. Det er også almindeligt, at disse systemer kun bruger information fra ballistiske fotoner, som er fotoner, der rejser til og fra det skjulte objekt gennem spredningsfeltet, men uden egentlig at sprede sig undervejs.

"Vi var interesserede i at kunne afbilde gennem spredningsmedier uden disse antagelser og at indsamle alle de fotoner, der er blevet spredt for at rekonstruere billedet, " sagde David Lindell, en kandidatstuderende i elektroteknik og hovedforfatter af papiret. "Dette gør vores system særligt anvendeligt til store applikationer, hvor der ville være meget få ballistiske fotoner."

For at gøre deres algoritme modtagelig for kompleksiteten af ​​spredning, forskerne skulle nøje co-designe deres hardware og software, selvom de hardwarekomponenter, de brugte, kun er lidt mere avancerede, end hvad der i øjeblikket findes i autonome biler. Afhængigt af lysstyrken af ​​de skjulte objekter, scanning i deres test tog alt fra et minut til en time, men algoritmen rekonstruerede den skjulte scene i realtid og kunne køres på en bærbar computer.

"Du kunne ikke se gennem skummet med dine egne øjne, og endda bare at se på fotonmålingerne fra detektoren, du ser virkelig ikke noget, sagde Lindell. Men, med kun en håndfuld fotoner, rekonstruktionsalgoritmen kan blotlægge disse objekter - og du kan ikke kun se, hvordan de ser ud, men hvor de er i 3D-rummet."

Plads og tåge

En skønne dag, en efterkommer af dette system kunne sendes gennem rummet til andre planeter og måner for at hjælpe med at se gennem iskolde skyer til dybere lag og overflader. På nærmere sigt, forskerne vil gerne eksperimentere med forskellige spredningsmiljøer for at simulere andre omstændigheder, hvor denne teknologi kan være nyttig.

"Vi er glade for at skubbe dette yderligere med andre typer spredningsgeometrier, " sagde Lindell. "Så, ikke kun genstande skjult bag en tyk plade af materiale, men genstande, der er indlejret i tæt spredt materiale, hvilket ville være som at se et objekt, der er omgivet af tåge."

Lindell og Wetzstein er også begejstrede for, hvordan dette arbejde repræsenterer et dybt tværfagligt skæringspunkt mellem videnskab og teknik.

"Disse sensorsystemer er enheder med lasere, detektorer og avancerede algoritmer, som placerer dem i et tværfagligt forskningsområde mellem hardware og fysik og anvendt matematik, " sagde Wetzstein. "Alle disse er kritiske, kerneområder i dette arbejde, og det er det, der er det mest spændende for mig."