Вам не нужны супердержавы, чтобы увидеть, что скрывается за углом; Все, что вам нужно, - это правильные алгоритмы, базовое компьютерное программное обеспечение и обычная цифровая камера, как показывает команда исследователей в статье, опубликованной сегодня в журнале Nature .
Изобретать эффективные способы обнаружения объектов за пределами прямой видимости человека - общая цель для ученых, изучающих что угодно, от автомобилей с автоматическим управлением до военной техники. В простейшей форме это можно сделать с помощью перископа, который представляет собой трубку с несколькими зеркалами, которые перенаправляют свет. Предыдущие попытки перевести это устройство в цифровую эпоху были связаны с использованием чувствительного высокотехнологичного оборудования для измерения времени, необходимого для попадания света на сенсор, что позволило исследователям приблизиться к относительному положению, размеру и форме скрытого объекта. Хотя эти методы выполняют свою работу, их трудно применять в повседневной жизни из-за их стоимости и сложности, отмечает ведущий автор нового исследования Вивек Гоял, инженер-электрик из Бостонского университета.
Предыдущие исследования показали, что обычную цифровую камеру можно использовать для воссоздания одномерных изображений объектов вне поля зрения. Гоял и его команда решили расширить эту технику и создать 2-D изображения.
Представление лабораторной установки для эксперимента (Charles Saunders / Nature) Эксперимент работал так: команда направила цифровой фотоаппарат на белую стену. Затем, за углом, сидящим параллельно камере, они установили ЖК-экран лицом к той же белой стене. На экране отображалось простое двумерное изображение - в данном случае гриб Nintendo, желтый смайлик с красной косой шляпкой или буквы BU (для Бостонского университета) крупным жирным красным шрифтом. Белая стена функционировала как зеркало в перископе. Используя длинную выдержку при съемке с помощью камеры, команда запечатлела мягкое размытие света, падающего на белую стену с экрана.
Однако есть причина, по которой белая стена выглядит белой, говорит Гоял. В отличие от зеркала, которое отражает свет в определенном направлении, стена рассеивает свет под разными углами, превращая любое воссозданное изображение в непонятный беспорядок пиксельных цветов невооруженным глазом. Удивительно, но легче воссоздать скрытое изображение, когда что-то блокирует его, также называемое скрывающим объектом.
Затеняющий объект - для этого исследования - панель, похожая на стул, - позволила команде воссоздать изображение, используя науку полутени, повседневное явление, созданное, когда свет отбрасывает частичные тени в виде ореола вокруг непрозрачного объекта.
«Пенумбри есть везде», - говорит Гоял. «[Если] вы сидите где-то с верхним флуоресцентным освещением, потому что ваше освещение не из одной точки, объекты не отбрасывают резких теней. Если вы протянете руку ... вы увидите кучу частичных теней вместо полного затенения ». По сути, все эти частичные тени - это полутень.
Таким образом, несмотря на то, что закрывающий объект заблокировал часть изображения, тени предоставили алгоритму больше данных для использования. Оттуда, обратный путь света просто требовал простой физики.
Вероятно, это звучит нелогично и сложно, но инженер-электрик Женевьева Гарипи, которая изучала визуализацию вне прямой видимости, одновременно заканчивая докторскую диссертацию в Хериот-Ватт в Эдинбурге, описала это как высокотехнологичную игру из 20 вопросов. По сути, окклюзионный объект в этом эксперименте функционирует так же, как хороший вопрос в игре.
«Обратная проблема в [20 вопросах] - угадать, о ком я думаю», - объясняет она. «Если мы поиграем в игру и я подумаю о… скажем, Донне Стрикленд, которая только что получила Нобелевскую премию по физике. Если вы спросите меня: «Она женщина? Она жива? это очень сложно, потому что эти описания могут относиться ко многим людям. Если вы спросите меня: «Получила ли она Нобелевскую премию?» тогда становится намного легче угадать, о ком я думаю ».
Первоначальные измерения выглядят как размытые черные пятна, поэтому Гоял и его команда были далеко не уверены, что их техника даст четкое изображение. «Мы были уверены, что что-то было возможно, [но могло бы быть] действительно, действительно ужасно по качеству», - говорит Гойал.
Итак, когда первый отдых прошел в мельчайших деталях, это был «большой, приятный сюрприз», говорит Гоял. Хотя изображение далеко от идеального, буквы читабельны, цвета ясны, и даже лицо желтого смайлика можно было идентифицировать. Команда смогла получить тот же уровень точности при работе с простым видео.
Гоял больше всего радует доступность этой технологии. «Наша техника [использует] обычное оборудование», - говорит он. «Вы можете себе представить, что мы могли бы написать приложение для мобильного телефона, которое выполняет эту функцию. Тип камеры, которую мы использовали, принципиально не отличается от камеры мобильного телефона ».
И Гоял, и Гарипи согласны, что одно из наиболее вероятных будущих применений этой технологии будет в автономных транспортных средствах. В настоящее время эти машины заставляют людей биться, поскольку они способны ощущать то, что непосредственно вокруг них со всех сторон, но диапазон этих датчиков не превышает среднего поля зрения человека. Внедрение этой новой технологии может вывести автомобили на новый уровень.
«Вы можете себе представить, что [автомобиль] может почувствовать, что на другой стороне припаркованной машины есть ребенок, или почувствовать, когда вы приближаетесь к перекрестку в городском каньоне, что идет перекрестное движение, которого нет в вашем автомобиле». прямой видимости », - говорит Гоял. «Это оптимистичное видение, но не безосновательное».
