Лазер научили «видеть» сквозь рассеивающую среду

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).

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 из 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.

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