Fortschrittliches Vision-System durchdringt Wolken & Nebel, enthüllt verborgene 3D-Szenen

Mit Hardware, die ähnlich ist wie die, die autonome Autos befähigt, die Welt um sie herum zu „sehen“, haben Forscher ein System entwickelt, das durch Wolken und Nebel sehen kann. Sie erweiterten das System mit einem Algorithmus, der dreidimensionale verborgene Szenen basierend auf der Bewegung einzelner Lichtteilchen, oder Photonen, rekonstruieren kann. In Tests rekonstruierte das System erfolgreich Formen, die durch 2,5 cm dicken Schaum verdeckt waren. Für das menschliche Auge ist es wie das Sehen durch Wände.

Diese Technik ergänzt andere Vision-Systeme, die auf mikroskopischer Skala durch Barrieren sehen können – für Anwendungen in der Medizin – weil sie sich mehr auf großskalige Situationen konzentriert, wie die Navigation selbstfahrender Autos in Nebel oder starkem Regen und Satellitenbildgebung der Erdoberfläche und anderer Planeten durch dunstige Atmosphäre.

Um durch Umgebungen zu sehen, die Licht streuen, koppelt das System einen Laser mit einem hochempfindlichen Photonendetektor, der jedes Bit Laserlicht aufzeichnet, das ihn trifft. Während der Laser ein Hindernis wie eine Schaumwand abtastet, wird ein gelegentliches Photon es schaffen, durch den Schaum zu passieren, die dahinter verborgenen Objekte zu treffen und zurück durch den Schaum zum Detektor zu gelangen. Die algorithmengestützte Software nutzt dann diese wenigen Photonen – und Informationen darüber, wo und wann sie den Detektor trafen – um die verborgenen Objekte in 3D zu rekonstruieren.

Dies ist nicht das erste System mit der Fähigkeit, verborgene Objekte durch streuende Umgebungen zu enthüllen, aber es umgeht Limitations, die mit anderen Techniken verbunden sind; zum Beispiel erfordern einige Wissen darüber, wie weit das Objekt der Interesse entfernt ist. Es ist auch üblich, dass diese Systeme nur Informationen von ballistischen Photonen nutzen, also Photonen, die zum verborgenen Objekt und zurück durch das Streufeld reisen, ohne tatsächlich zu streuen.

Um ihren Algorithmus den Komplexitäten des Streuens anzupassen, mussten die Forscher ihre Hardware und Software eng ko-designen, obwohl die von ihnen verwendeten Hardwarekomponenten nur leicht fortgeschrittener sind als das, was derzeit in autonomen Autos zu finden ist. Je nach Helligkeit der verborgenen Objekte dauerte das Scannen in ihren Tests zwischen einer Minute und einer Stunde, aber der Algorithmus rekonstruierte die verdeckte Szene in Echtzeit und konnte auf einem Laptop laufen.

Eines Tages könnte ein Nachfahre dieses Systems durch den Weltraum zu anderen Planeten und Monden geschickt werden, um durch eisige Wolken tiefere Schichten und Oberflächen zu sehen. In naher Zukunft möchten die Forscher mit verschiedenen Streuumgebungen experimentieren, um andere Umstände zu simulieren, wo diese Technologie nützlich sein könnte.