Камера, способная «заглядывать» за углы

Она представляет собой набор из двух приборов – особой «фотонной пушки», которой ученые обстреливали пол и стену, расположенные на противоположной стороне от угла, и специальной светочувствительной матрицы на базе так называемых лавинных фотодиодов, способных распознавать даже одиночные фотоны, частицы света.

Фотоны из луча пушки, отражаясь от поверхности стены и пола, будут сталкиваться и отражаться от поверхности всех предметов, которые находятся за стеной. Часть из них попадет в детектор, отразившись еще раз от стены, что позволяет, опираясь на время движения луча, определять положение, форму и вид того, что прячется за углом.



Благодаря сложной траектории движения луча и необходимости обработки данных, поступающих в камеру, фотография спрятанных объектов получается не сразу – на формирование начального изображения уходит около трех минут. С другой стороны, дальнейшие наблюдения за перемещением объекта за стеной можно вести в режиме реального времени.

Текущее разрешение камеры очень скромное – всего 32 на 32 пикселя, что фактически не позволяет разглядеть на картинке ничего, кроме грубого силуэта того, что расположено за углом. Тем не менее, это может быть достаточно для многих практических задач, так как положение объекта на картинке можно определить с сантиметровой точностью.



Лазерные сканеры используются уже достаточно давно для составления трехмерных цифровых карт окружающего пространства роботами, беспилотными автомобилями и летательными аппаратами. Они работают, измеряя задержку между временем подачи импульса лазерного света и временем регистрации этого же света, отраженного от поверхности предметов. Подобные принципы можно использовать для получения изображений объектов, не находящихся в зоне прямой видимости, а скрытых за непрозрачными препятствиями, за углами и за стенами. В свое время мы уже рассказывали о камере, способной заглянуть за угол при помощи импульсов лазерного света.

К сожалению, быстродействие этой системы достаточно невелико и при ее помощи невозможно обнаруживать и отслеживать движущиеся объекты. Но эта проблема уже практически решена благодаря работе исследователей из университета Хериот-Уотта в Эдинбурге, Шотландия, созданная ими новая камера обладает высоким быстродействием, достаточным для точного определения положения скрытых объектов и отслеживания их движения практически в режиме реального времени.

Новая камера, как и камеры, созданные другими исследовательскими группами, работает за счет луча лазера, сфокусированного на точке поверхности, откуда отраженный свет может попасть на поверхность скрытых предметов. Однако, использованные в этой камере лазер отличается высоким быстродействием, он может излучать 67 миллионов импульсов света в секунду, а длительность каждого импульса составляет порядка 10 фемтосекунд. Использованная камера имеет высокую чувствительность, что позволяет ей регистрировать даже отдельные фотоны отраженного света, а ее быстродействие позволяет получать один кадр через каждые 50 пикосекунд.

Во время испытаний этой системы камера смогла четко увидеть контуры 30-сантиметровой фигурки, скрытой за углом. При этом, на получение изображения было потрачено 3 секунды времени, что гораздо меньше времени, требующегося для работы других подобных систем, которым необходимы для этого десятки минут или часы времени. При этом точность определения положения и контуров скрытого объекта составила около 1 сантиметра. Более того, быстродействия камеры было достаточно для того, чтобы отслеживать объект, находящийся за углом на глубине 1 метра и двигающийся со скоростью 2.8 сантиметра в секунду.

К сожалению, эта технология еще не позволяет получить полную трехмерную картину пространства, находящегося за углом или скрытого каким-либо другим препятствием. Однако, в скором времени исследователи собираются произвести усовершенствование системы, после которых она будет в состоянии видеть качественную трехмерную картинку, видеть объекты, находящиеся на удалении сотен метров от камеры, и делать это чаще одного раза за три секунды.

«Увеличение дальности действия новой камеры до десятков и сотен метров станет самой тяжелой задачей, которую, возможно, нам и не удастся решить сразу с наскока. Но в ближайшем времени технологии, которые позволят сделать это, станут доступны и роботы, беспилотные летательные аппараты и автомобили получат возможность видеть скрытые за препятствиями и углами объекты, что позволит им избежать столкновений и прочих неожиданных ситуаций» — рассказывает Даниэле Фаччо (Daniele Faccio), ведущий исследователь.



В настоящий момент новая разработка может следить за скрытыми объектами на расстоянии до метра. В дальнейшем исследователи намерены разработать технологию, благодаря которой камера научится реконструировать трехмерную форму скрытых объектов.

Ученые уверены, что их творение приживется в системах видеонаблюдения. Кроме того, новый аппарат сможет помочь автомобилистам, чтобы предупредить их о скрытой за углом движущейся машине.

Стоит отметить, что подобные камеры, умеющие смотреть сквозь стену, уже существовали, однако они тратили намного больше времени, чтобы следить за движущимися объектами, поэтому были практически бесполезны.