"Многие методы визуализации делают изображения немного лучше, немного менее шумными, но это действительно то, где мы делаем невидимое видимым", - сказал Гордон Ветцштейн, доцент кафедры электротехники в Стэнфорде и старший автор статьи. "Это действительно расширяет границы того, что может быть возможно с любым видом сенсорной системы. Это похоже на сверхчеловеческое зрение".

Этот метод дополняет другие системы видения, которые могут видеть сквозь барьеры в микроскопическом масштабе - для применения в медицине - потому что он больше ориентирован на крупномасштабные ситуации, такие как навигация на самоуправляемых автомобилях в тумане или проливном дожде и спутниковые снимки поверхности Земли и других планет через туманную атмосферу.

Сверхзрение от рассеянного света

Чтобы видеть сквозь среду, которая рассеивает свет во всех направлениях, система соединяет лазер со сверхчувствительным детектором фотонов, который регистрирует каждый луч лазерного излучения, попадающий на него. Когда лазер сканирует препятствие, такое как стена из пены, случайный фотон сможет пройти сквозь пену, попасть в объекты, скрытые за ней, и пройти обратно через пену, чтобы достичь детектора. Затем программное обеспечение, поддерживаемое алгоритмом, использует эти несколько фотонов - и информацию о том, где и когда они попадают на детектор, - для реконструкции скрытых объектов в 3D.

Это не первая система, способная обнаруживать скрытые объекты с помощью рассеивающих сред, но она обходит ограничения, связанные с другими методами. Например, некоторые требуют знаний о том, как далеко находится интересующий объект. Также распространено, что эти системы используют информацию только от баллистических фотонов, которые представляют собой фотоны, которые перемещаются к скрытому объекту и от него через поле рассеяния, но фактически не рассеиваются по пути.

"Мы были заинтересованы в возможности получения изображения через рассеивающие среды без этих допущений и сбора всех рассеянных фотонов для восстановления изображения", - сказал Дэвид Линделл, аспирант в области электротехники и ведущий автор статьи. "Это делает нашу систему особенно полезной для крупномасштабных применений, где было бы очень мало баллистических фотонов".

Чтобы сделать свой алгоритм совместимым со сложностями рассеяния, исследователям пришлось тесно сотрудничать в разработке своего аппаратного и программного обеспечения, хотя аппаратные компоненты, которые они использовали, лишь немного более продвинуты, чем то, что в настоящее время используется в автономных автомобилях. В зависимости от яркости скрытых объектов сканирование в их тестах занимало от одной минуты до одного часа, но алгоритм реконструировал затемненную сцену в режиме реального времени и мог быть запущен на ноутбуке.

"Вы не могли видеть сквозь пену своими собственными глазами, и даже просто глядя на измерения фотонов с детектора, вы действительно ничего не видите", - сказал Линделл. "Но с помощью всего лишь нескольких фотонов алгоритм реконструкции может выявить эти объекты - и вы сможете увидеть не только то, как они выглядят, но и где они находятся в 3D-пространстве".

Пространство и туман

Когда-нибудь потомок этой системы может быть отправлен через космос на другие планеты и луны, чтобы помочь увидеть сквозь ледяные облака более глубокие слои и поверхности. В ближайшей перспективе исследователи хотели бы поэкспериментировать с различными средами рассеяния, чтобы смоделировать другие обстоятельства, в которых эта технология могла бы быть полезной.

"Мы рады продвинуть это дальше с помощью других типов геометрий рассеяния", - сказал Линделл. "Таким образом, не просто объекты, скрытые за толстым слоем материала, но и объекты, которые встроены в плотно рассеивающий материал, что было бы похоже на видение объекта, окруженного туманом".

Линделл и Ветцштейн также с энтузиазмом относятся к тому, что эта работа представляет собой глубоко междисциплинарное пересечение науки и техники.

"Эти сенсорные системы представляют собой устройства с лазерами, детекторами и передовыми алгоритмами, что ставит их в междисциплинарную область исследований между аппаратным обеспечением, физикой и прикладной математикой", - сказал Ветцштейн. "Все это важнейшие, ключевые области в этой работе, и это то, что для меня самое захватывающее".