拥有超视力:斯坦福大学研究人员发明了一种透视云和雾的方法

利用一种新算法,斯坦福大学的研究人员重新构建了单个光粒子的运动,让你拥有超视力,以看穿云、雾和其他障碍物。该研究成果发表于《自然通讯》上

对司机来说,最危险的情况之一就是浓雾。斯坦福大学的研究人员创造了一种新的设备,可以看穿云和雾,这对未来的自动汽车来说可能是非常重要的。斯坦福大学的技术使用了类似于自动汽车上的技术,并通过研究人员开发的高效算法进行了改进。

拥有超视力:斯坦福大学研究人员发明了一种透视云和雾的方法

该算法可以根据单个光粒子(称为光子)的运动重建三维隐藏场景。该系统能够成功重建被一块一英寸厚的泡沫遮挡的形状。研究人员Gordon Wetzstein表示,虽然很多成像技术可以让图像看起来更好看一些,但该团队的技术可以让不可见的东西变得可感知。

斯坦福大学研究人员开发的系统的另一个潜在用途是在太空探索方面。该技术可以让卫星透过朦胧的大气层或云层对地球和其他行星的表面进行成像。该系统将激光器与一个极为敏感的光子探测器配对,在台面上记录下每一点激光照射到它身上的情况。当激光扫描泡沫等障碍物时,偶尔会有光子设法穿过泡沫。随后,穿过泡沫的光子会击中隐藏在泡沫后面的物体,然后再穿过泡沫到达探测器。系统中使用的算法使用软件跟踪这些光子,当它们击中探测器时,再以3D方式重建隐藏的物体。

研究人员承认,这并不是第一个具有通过散射环境揭示隐藏物体能力的系统,但它确实规避了其他技术的相关限制。其中一些其他系统需要知道物体的距离有多远,斯坦福的这套则不需要。

从散射光中获得超视力

为了穿透散射光的各种环境,该系统将一束激光与一个超灵敏的光子探测器配对,以记录每一束入射的激光。当激光扫描像泡沫墙一样的障碍物时,偶尔会有一个光子设法穿过泡沫,击中隐藏在它后面的物体,然后再穿过泡沫到达探测器。然后,由算法支持的软件利用这些光子以及它们击中探测器的位置和时间的信息,以3D的形式重建隐藏的物体。

拥有超视力:斯坦福大学研究人员发明了一种透视云和雾的方法

激光扫描过程在行动。单光子穿过泡沫,在“S”上反弹,再穿过泡沫回到探测器,为算法重建隐藏物体提供了信息。(图片来源:斯坦福计算机成像实验室)

为了使他们的算法能够适应分散的复杂性,研究人员不得不紧密地协同设计他们的硬件和软件,尽管他们使用的硬件组件只比目前自动驾驶汽车的硬件稍微先进一点。根据隐藏物体的亮度,在他们的测试中,扫描时间从一分钟到一小时不等,但算法实时重建了被隐藏的场景,可以在笔记本电脑上运行。

林德尔说:“用你自己的眼睛是看不见泡沫的,即使只是看探测器测量到的光子,你也看不见任何东西。”“但是,只用少量的光子,重建算法就可以暴露这些物体——你不仅可以看到它们的样子,还可以看到它们在三维空间中的位置。”

空间和雾

拥有超视力:斯坦福大学研究人员发明了一种透视云和雾的方法

通过1英寸厚的泡沫看到的反射字母“S”的三维重建。(图片来源:斯坦福计算机成像实验室)

总有一天,这个系统迭代可能会被送到太空中的其他行星和卫星上,以帮助穿透冰云观察更深的层和表面。在不久的将来,研究人员将在不同的散射环境中进行实验,以模拟该技术可能有用的其他环境。

林德尔说:“我们很高兴能将其他类型的散射几何模型进一步推广。”“因此,不仅是隐藏在厚材料板后面的物体,还有嵌入在密集散射材料中的物体,这就像看到一个被雾包围的物体。”

林德尔和韦茨斯坦对这项工作如何代表科学和工程的深度跨学科交叉也充满热情。

韦兹斯坦说:“这些传感系统是带有激光、探测器和先进算法的设备,这使它们处于硬件、物理和应用数学之间的跨学科研究领域。”“所有这些都是这项工作中至关重要的核心领域,这也是最令我兴奋的地方。”

Gordon Wetzstein也是斯坦福计算机成像实验室的主任,斯坦福Bio-X和吴氏神经科学研究所的成员。

这项研究是由斯坦福大学科学与工程研究生奖学金资助的;国家科学基金会;斯隆管理学院奖学金;美国国防高级研究计划局;陆军研究办公室(ARO);阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的支持。

上一篇:

下一篇:


标签