Скоростной лазер позволил камере провести съёмку за углом
Единичный фотон либо маленькая их несколько не балуют учёныхинформацией. До тех пор пока эти частицы приходят от объекта несметными толпами, мы вряд ли возьмём что-то большее, чем простые фото либо видео. Но стоит обучиться выделять из потока света весьма своеобразные фрагменты, как рождается новый тип съёмки — из-за угла.
Первое, что приходит на ум, в то время, когда речь идет о съёмке вещей, расположенных вне прямой видимости, – это зеркала. Но зеркал везде не понаставишь. Кроме того в случае если в их качестве смогут выступить простые предметы — стенки домов либо коридоров, двери, предметы мебели либо фонарные столбы – увы, рассмотреть в них что-то окажется нереальным.
Так как поверхность их в большинстве случаев матовая, рассеивает свет она хаотично и ничего не «показывает»… Но это только на первый взгляд.
Решить необыкновенную задачу взялась несколько студентов из Массачусетского технологического университета под управлением доктора наук Рамеша Раскара (Ramesh Raskar). Их изобретение именуется «камера быстротечного изображения» (Transient imaging camera, PDF-документ).
Бабушка в спальне, кошка в углу и внук под столом будут спасены, поскольку пожарный видит их при помощи лазерной камеры (иллюстрация Ahmed Kirmani, Ramesh Raskar/MIT).
В базе данной совокупности — лазер, систематично выдающий броские вспышки длительностью всего в квадриллионную долю секунды (не напрасно проект кроме этого стал называться «Фемтофотография» — Femto-Photography). Эти маленькие зондирующие импульсы уходят в различные стороны, а также попадают на предметы, направляющие их за угол. В примере ниже — в помещение с немного открытой дверью.
Но в качестве «зеркал» смогут выступить и пол, и потолок.
Сверхкороткий импульс лазера (1-2) уходит к двери и отражается вовнутрь помещения к скрытым объектам (2-3). Отражённые лучи (3-4) возвращаются к двери и отправляются в камеру (4-1).Не обращая внимания на то что простая дверь не есть зеркалом и отражения от неё достаточно случайны, красивый метод способен вычленить изображение человека из этого потока (иллюстрация Ahmed Kirmani, Ramesh Raskar/MIT).
Потом в дело вступает быстродействующая электроника. Поймав целый отражённый от обстановки свет, возможно взять лишь броское пятно без подробностей. Но потому, что импульс у нас ультракороткий, на сцену выходит его величество время.
Современная техника разрешает создавать переключения в схеме стремительнее, чем свет успевает пройти хоть миллиметр пути. И эта возможность — ключ к предстоящей обработке возвращённого света.
Сразу после импульса электроника держит затвор камеры закрытым. Она ожидает, пока от ближних предметов (соседняя стенки коридора, сама матовая дверь) возвратятся фотоны «первичного отражения». Они нам не необходимы и лишь сломают всю картину.
Потом камера начинает собирать свет. Фотоны от «второго отражения» (условно говоря, это поток от скрытых за углом вещей) через определённое время отскакивают от двери (третье отражение) и направляются к камере. Само собой разумеется, из всего начального импульса в объектив попадёт малая часть света (остальные фотоны разлетаются кто куда), но и её хватит.
Три уровня отражения. электроника и Сверхскоростной затвор разрешают поймать в матрицу лишь те фотоны, каковые необходимы (иллюстрация Ahmed Kirmani, Ramesh Raskar/MIT).
Принципиально важно, что датчик быстротечной камеры фиксирует не только направление, с которого прилетел фотон, но и правильное время его прилёта. Как правильное? Речь заходит о разрешении в пикосекунды.
Дальше начинается маленькая математическая волшебство.
Дабы собрать хватает информации для обработки, лазер обязан сделать от 10 вспышек, любой раз мало с другой позиции. Сейчас, применяя эти кадры и данные о времени прибытия каждой порции квантов, камера сооружает трёхмерную сцену, скрытую за углом.
Главные части камеры: фемтосекундный лазер (а), пикосекундный детектор (b), скоростной осциллограф (c). На рисунке d продемонстрирована тестовая сцена – контрастный объект (что-то наподобие двухмерного штрихкода), скрытый за рассеивающими свет экранами (фото Ahmed Kirmani, Ramesh Raskar/MIT).
Возможно отыскать в памяти одну аналогию: армейские используют похожий способ, что разрешает авиационной камере со вспышкой видеть технику соперника под кронами деревьев. Всё дело в чипе и сверхскоростном затворе, что держит его закрытым, пока возвращается свет от листочков. Он раскрывается, в то время, когда приходит черёд запоздавших на миллиардные доли секунды фотонов, отразившихся от танков и автомобилей.
В нашем случае к этому принципу добавляется математическая обработка пришедшего сигнала, разрешающая вернуть форму объекта по не сильный вторичному излучению, отражённому от матовой поверхности. Эта обработка напоминает томографию — в том месте также конечный итог получается по окончании сопоставления информации о сигнале, воспринятом с различных точек.
Неспециализированный принцип работы новой камеры (на схеме) в чём-то схож с разработкой «камер времени пролёта» (time-of-flight camera), со своей стороны родственных лидарам. Лишь в этом случае мысль взяла развитие, не напрасно доктор наук именует разработку «time-of-flight camera на стероидах» (иллюстрация Ahmed Kirmani, Ramesh Raskar/MIT).
Применять такую разработку возможно при спасении людей на протяжении стихийных бедствий либо на пожарах, при военных операций и проведении полицейских. К примеру, зондируя внутренние помещения строения через окна, возможно взять изображения людей, невидимых с улицы, к примеру пострадавших, лежащих на полу, либо преступников, укрывающихся в дальних углах помещений.
С новой камерой машины имели возможность бы избегать столкновений с автомобилями, скрытыми за углом улицы, медики – приобретать изображения труднодоступных участков сердца, лёгких либо кишечника… (иллюстрация Ahmed Kirmani, Ramesh Raskar/MIT)
«Это как взять рентгеновское зрение без рентгеновских лучей. Мы обходим проблему, вместо того дабы идти напролом», — растолковывает Раскар, кстати, знакомый нам по шестимерной фотографии и необычному принципу наведения на резкость по окончании съёмки.
До тех пор пока «мимолётную камеру» нельзя взять в руки. Это легко комплект лазеров, сенсоров, зеркал и полупрозрачных стёкол, закреплённых на стенде (фото Ahmed Kirmani, Ramesh Raskar/MIT).
До тех пор пока умелая установка Раскара со товарищи может выявлять только относительно простые картинки за углом. До восстановления сцен из настоящей судьбы ей на большом растоянии. Ещё предстоит поработать над методом расшифровки, дабы приобретать достаточно ясные картины с тем маленьким числом фотонов, что попадают в объектив. Да и добиться компактности аналогичной камеры — не так легко.
Но умение «нарезать» возвращающийся поток фотонов столь узкими «дольками» способно вылиться в увлекательное направление видео- и фотосъёмки.
«У каждого фотона собственная история, — говорит Рамеш, — где он появился, кто его столкнул с пути, где он прошёл… Я желаю слушать фотоны…»
