Физика

Лазер научили «видеть» сквозь рассеивающую среду

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 фотоны, которые не изменяют направление движение при прохождении сквозь неоднородную 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.

Источник

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть
Закрыть