Лазер научили «видеть» сквозь рассеивающую среду

David Lindell & Gordon Wetzstein / Nature Communications, 2020

Физики научились с помощью лазера получать трехмерное

изображение объекта, находящегося за двухсантиметровым слоем полиуретановой

пены. Луч лазера проходил по поверхности

рассеивающей среды, и по отраженным фотонам ученые восстанавливали форму и положение предмета. Упрощенная модель обратной свертки с учетом процесса

рассеивания позволила сократить время расчетов с использованием обычного компьютера

до 50 миллисекунд, а сама техника не требовала знаний о начальном положении

объекта и оказалась применима для большого диапазона расстояний. Статья опубликована в журнале Nature Communications.

Рассеивание света — одно из главных препятствий для

эффективной работы лидаров. Эти приборы используют информацию о времени движения

направленного излучения до и после отражения от наблюдаемого объекта для

создания его трехмерного изображения и определения его положения в пространстве. Однако если между лидаром и

предметом окажется лишь частично прозрачная среда, например, туман, пыль

или дым, то определить положение объекта может быть сложно или вовсе

невозможно. С такими ограничениями важно уметь бороться, ведь лидары используются в беспилотных автомобилях, а с похожими проблемами сталкиваются

астрономы (из-за неоднородностей в атмосфере) и даже медики (в рамках различных

техник медицинской

визуализации).

Поэтому необходимо создавать техники создания изображений

в условиях, когда между объектом и наблюдателем находится рассеивающая

среда. Уже сейчас существует ряд методов, позволяющих решить проблему

рассеивания: в некоторых используются так называемые баллистические

среду, в других с рассеивателями борются с помощью моделирования их оптических

свойств и восстановления исходного сигнала. Однако для

эффективной работы таких техник ученым необходимо заранее знать примерное

местоположение объекта, их эффективность резко падает с увеличением расстояний,

а восстановление изображения с помощью моделирования требует слишком много времени.

Теперь Дэвид Линделл (David Lindell) и Гордон Ветцштейн (Gordon Wetzstein) из Стэнфордского университета реализовали

технику формирования трехмерного изображения объекта за рассеивающей средой с

помощью лазера и крайне чувствительного детектора отраженных фотонов. В

качестве рассеивателя физики использовали двухсантиметровый слой из полиуретановой пены, который они поточечно (в рамках сетки размером 32 × 32) облучали лазером и

наблюдали за отражением пучка света. Часть фотонов, которые отразились от объекта за

рассеивающей средой, снова проходили через слой пены, возвращались в исходную точку

излучения и регистрировались однофотонным

лавинным диодом. По данным детектора для каждой точки формировалась зависимость

частоты регистрации фотонов от времени с момента их излучения, по которой

восстанавливалась трехмерная «карта» отраженного от объекта света (фотоны,

которые отразились от самой среды, исключались).



Схема экспериментальной установки (a), схема процесса рассеивания, отражения от объекта и повторного рассеивания излучения лазера (b), пример получаемой для каждой точки рассеивающего слоя временной зависимости частоты регистрации фотонов (c).

David Lindell & Gordon Wetzstein / Nature Communications, 2020

Чтобы по собранной информации восстановить реальное изображение

предмета физики создали метод, который преобразовывал исходные данные в два

этапа. Сначала с учетом оптических характеристик пены и уравнения рассеяния алгоритм

исключал их данных влияние двойного рассеяния излучения на полиуретанового

слое. После этого в руках исследователей оказывалась карта излучения в случае,

если бы между объектом и лазером не было преграды. Затем физики производили

инверсию данных отраженного излучения с помощью техник обратной

свертки и получали трехмерное изображение предмета за рассеивателем. Разбивка

получаемых данных на отдельные точки позволила сделать ряд упрощений в

алгоритме, в результате собранные за минуту данные обрабатывались на обычном компьютере

всего за полсекунды, а с использованием видеокарты последнего — и вовсе за 50

миллисекунд.



Пример преобразования исходных данных об отраженном излучении (a) в данные с исключенным рассеиванием (b) и конечное трехмерное изображение (с).

David Lindell & Gordon Wetzstein / Nature Communications, 2020

В случае, когда предмет находился в 50 сантиметрах от

рассеивающего слоя, а высота и ширина области сканирования были равны 70 сантиметрам,

авторам удалось достигнуть продольной и поперечной погрешности определения пространственного

положения объекта в 9 и 15 сантиметров соответственно. Основной вклад в

неточности оказывала толщина слоя полиуретановой пены: чем толще рассеиватель,

тем меньше число фотонов, у которых получается два раза пройти через него и

вернуться в точку исходного излучения. Также авторы отмечают, что метод подразумевает статичность

рассеивающей среды и ее параметров, чего трудно достигнуть в реальных условиях,

но физики все равно верят, что такой технологии найдется практическое

применение.

Ранее с рассеиванием света в тумане справился лидар, который

научили

различать невидимые для человеческого взгляда предметы. А совсем недавно физики

создали лидар, который смог различить

метровые детали на расстоянии 45 километров.

Никита Козырев

Источник: labuda.blog

уникальные шаблоны и модули для dle