Zoals een stripboek tot leven komt, onderzoekers van Stanford University hebben een soort röntgenvisie ontwikkeld - alleen zonder de röntgenstralen. Werken met hardware vergelijkbaar met wat autonome auto's in staat stelt om de wereld om hen heen te "zien", de onderzoekers verbeterden hun systeem met een zeer efficiënt algoritme dat driedimensionale verborgen scènes kan reconstrueren op basis van de beweging van individuele lichtdeeltjes, of fotonen. Bij testen, gedetailleerd in een paper gepubliceerd op 9 september in Natuurcommunicatie , hun systeem reconstrueerde met succes vormen die werden verduisterd door 1-inch dik schuim. Voor het menselijk oog, het is alsof je door muren heen kijkt.

"Veel beeldvormingstechnieken zorgen ervoor dat afbeeldingen er een beetje beter uitzien, een beetje minder luidruchtig, maar dit is echt iets waar we het onzichtbare zichtbaar maken, " zei Gordon Wetzstein, assistent-professor elektrotechniek aan Stanford en senior auteur van het artikel. "Dit verlegt echt de grens van wat mogelijk is met elk soort sensorsysteem. Het is als een bovenmenselijke visie."

Deze techniek is een aanvulling op andere zichtsystemen die door barrières op microscopische schaal kunnen kijken - voor toepassingen in de geneeskunde - omdat het meer gericht is op grootschalige situaties, zoals het navigeren door zelfrijdende auto's in mist of hevige regen en satellietbeelden van het aardoppervlak en andere planeten door een wazige atmosfeer.

Supersight van verstrooid licht

Om door omgevingen te kunnen kijken die licht overal verstrooien, het systeem koppelt een laser aan een supergevoelige fotondetector die elk stukje laserlicht dat erop valt registreert. Terwijl de laser een obstructie scant als een muur van schuim, af en toe zal een foton erin slagen om door het schuim te gaan, raak de objecten die erachter verborgen zijn en ga terug door het schuim om de detector te bereiken. De algoritme-ondersteunde software gebruikt vervolgens die paar fotonen - en informatie over waar en wanneer ze de detector raken - om de verborgen objecten in 3D te reconstrueren.

Dit is niet het eerste systeem met de mogelijkheid om verborgen objecten te onthullen door middel van verstrooiende omgevingen, maar het omzeilt beperkingen die verband houden met andere technieken. Bijvoorbeeld, sommige vereisen kennis over hoe ver het object van belang is. Het is ook gebruikelijk dat deze systemen alleen informatie van ballistische fotonen gebruiken, dat zijn fotonen die van en naar het verborgen object reizen door het verstrooiingsveld, maar zonder zich onderweg daadwerkelijk te verstrooien.

"We waren geïnteresseerd in het kunnen beelden door verstrooiende media zonder deze aannames en om alle verstrooide fotonen te verzamelen om het beeld te reconstrueren, " zei David Lindell, een afgestudeerde student in elektrotechniek en hoofdauteur van het papier. "Dit maakt ons systeem vooral handig voor grootschalige toepassingen, waar er maar heel weinig ballistische fotonen zouden zijn."

Om hun algoritme geschikt te maken voor de complexiteit van verstrooiing, moesten de onderzoekers hun hardware en software nauw mede ontwerpen, hoewel de hardwarecomponenten die ze gebruikten slechts iets geavanceerder zijn dan wat momenteel wordt aangetroffen in autonome auto's. Afhankelijk van de helderheid van de verborgen objecten, scannen in hun tests duurde een minuut tot een uur, maar het algoritme reconstrueerde de verduisterde scène in realtime en kon op een laptop worden uitgevoerd.

"Je kon met je eigen ogen niet door het schuim kijken, en zelfs alleen al kijkend naar de fotonmetingen van de detector, je ziet echt niets "zei Lindell. "Maar, met slechts een handvol fotonen, het reconstructie-algoritme kan deze objecten blootleggen - en je kunt niet alleen zien hoe ze eruit zien, maar waar ze zijn in de 3D-ruimte."

Ruimte en mist

op een dag, een afstammeling van dit systeem zou door de ruimte naar andere planeten en manen kunnen worden gestuurd om door ijzige wolken naar diepere lagen en oppervlakken te kijken. Op kortere termijn, de onderzoekers willen experimenteren met verschillende verstrooiingsomgevingen om andere omstandigheden te simuleren waarin deze technologie nuttig zou kunnen zijn.

"We zijn verheugd om dit verder te duwen met andere soorten verstrooiingsgeometrieën, "zei Lindell. "Dus, niet alleen objecten die verborgen zijn achter een dikke plaat materiaal, maar objecten die zijn ingebed in dicht verstrooid materiaal, wat zou zijn als het zien van een object dat is omgeven door mist."

Lindell en Wetzstein zijn ook enthousiast over hoe dit werk een diep interdisciplinair kruispunt van wetenschap en techniek vertegenwoordigt.

"Deze detectiesystemen zijn apparaten met lasers, detectoren en geavanceerde algoritmen, wat hen in een interdisciplinair onderzoeksgebied plaatst tussen hardware en natuurkunde en toegepaste wiskunde, "zei Wetzstein. "Die zijn allemaal van cruciaal belang, kerngebieden in dit werk en dat is wat het meest opwindende voor mij is."