باستخدام خوارزمية جديدة ، أعاد باحثو ستانفورد بناء حركات جزيئات الضوء الفردية لرؤية الغيوم والضباب والعوائق الأخرى.
مثل كتاب هزلي ينبض بالحياة ، طور باحثون في جامعة ستانفورد نوعًا من الرؤية بالأشعة السينية - فقط بدون الأشعة السينية.
من خلال العمل مع أجهزة مشابهة لما يمكّن السيارات المستقلة من "رؤية" العالم من حولها ، عزز الباحثون نظامهم بخوارزمية عالية الكفاءة يمكنها إعادة بناء المشاهد الخفية ثلاثية الأبعاد بناءً على حركة الجسيمات الفردية للضوء ، أو الفوتونات.
في الاختبارات ، المفصلة في ورقة نشرت في 9 سبتمبر في Nature Communications ، نجح نظامهم في إعادة بناء الأشكال المحجوبة بواسطة رغوة بسمك 1 بوصة.
بالنسبة للعين البشرية ، إنها مثل الرؤية عبر الجدران.
قال جوردون ويتزستين ، الأستاذ المساعد في الهندسة الكهربائية بجامعة ستانفورد وكبير مؤلفي البحث: "تجعل الكثير من تقنيات التصوير الصور تبدو أفضل قليلاً ، وأقل ضوضاءً قليلاً ، ولكن هذا حقًا شيء نجعل غير المرئي مرئيًا" .
"هذا يدفع حقًا حدود ما يمكن أن يكون ممكنًا مع أي نوع من أنظمة الاستشعار. إنها مثل رؤية خارقة ".
تكمل هذه التقنية أنظمة الرؤية الأخرى التي يمكنها أن ترى من خلال الحواجز على النطاق المجهري - للتطبيقات في الطب - لأنها تركز بشكل أكبر على المواقف واسعة النطاق ، مثل التنقل في السيارات ذاتية القيادة في الضباب أو الأمطار الغزيرة والتصوير عبر الأقمار الصناعية لسطح الأرض والكواكب الأخرى من خلال الغلاف الجوي الضبابي.
من أجل رؤية البيئات التي تشتت الضوء في كل اتجاه ، يقوم النظام بإقران الليزر بكاشف الفوتون الفائق الحساسية الذي يسجل كل جزء من ضوء الليزر الذي يضربه.
بينما يقوم الليزر بمسح عائق مثل جدار الرغوة ، يتمكن الفوتون العرضي من المرور عبر الرغوة ، ويصطدم بالأشياء المخبأة خلفه ويمر عبر الرغوة للوصول إلى الكاشف.
ثم يستخدم البرنامج المدعوم من الخوارزمية تلك الفوتونات القليلة - ومعلومات حول مكان وزمان اصطدامها بالكاشف - لإعادة بناء الأشياء المخفية في صورة ثلاثية الأبعاد.
ليس هذا هو النظام الأول الذي لديه القدرة على كشف الأشياء المخفية من خلال البيئات المتناثرة ، لكنه يتغلب على القيود المرتبطة بالتقنيات الأخرى.
على سبيل المثال ، يتطلب البعض معرفة مدى بُعد موضوع الاهتمام. من الشائع أيضًا أن هذه الأنظمة لا تستخدم سوى المعلومات من الفوتونات الباليستية ، وهي فوتونات تنتقل من وإلى الكائن المخفي عبر حقل الانتثار ولكن دون أن تنتشر فعليًا على طول الطريق.
قال ديفيد ليندل ، طالب دراسات عليا في الهندسة الكهربائية والمؤلف الرئيسي للورقة البحثية: "كنا مهتمين بأن نكون قادرين على التصوير من خلال وسائط متناثرة دون هذه الافتراضات ، وأن نجمع كل الفوتونات التي تم نثرها لإعادة بناء الصورة".
"هذا يجعل نظامنا مفيدًا بشكل خاص للتطبيقات واسعة النطاق ، حيث سيكون هناك عدد قليل جدًا من الفوتونات البالستية."
من أجل جعل الخوارزمية الخاصة بهم قابلة للتكيف مع تعقيدات التشتت ، كان على الباحثين أن يشتركوا عن كثب في تصميم أجهزتهم وبرامجهم ، على الرغم من أن مكونات الأجهزة التي استخدموها كانت أكثر تقدمًا بقليل مما هو موجود حاليًا في السيارات ذاتية القيادة.
بناءً على سطوع الأشياء المخفية ، استغرق المسح في اختباراتهم من دقيقة واحدة إلى ساعة واحدة ، لكن الخوارزمية أعادت بناء المشهد المحجوب في الوقت الفعلي ويمكن تشغيلها على جهاز كمبيوتر محمول.
قال ليندل: "لا يمكنك رؤية الرغوة بأم عينيك ، وحتى مجرد النظر إلى قياسات الفوتون من الكاشف ، فإنك لا ترى أي شيء حقًا".
"ولكن ، باستخدام عدد قليل من الفوتونات ، يمكن لخوارزمية إعادة الإعمار أن تكشف هذه الأشياء - ولا يمكنك رؤية شكلها فحسب ، بل يمكنك أيضًا رؤية مكانها في الفضاء ثلاثي الأبعاد.
في يوم من الأيام ، يمكن إرسال سليل من هذا النظام عبر الفضاء إلى كواكب وأقمار أخرى للمساعدة في الرؤية عبر السحب الجليدية إلى الطبقات والأسطح الأعمق.
على المدى القريب ، يرغب الباحثون في تجربة بيئات تشتت مختلفة لمحاكاة الظروف الأخرى التي قد تكون فيها هذه التكنولوجيا مفيدة.
قال ليندل: "نحن متحمسون لدفع هذا إلى الأمام مع أنواع أخرى من هندسة التشتت".
"لذا ، لا يقتصر الأمر على الأشياء المخبأة خلف لوح سميك من المواد فحسب ، بل الأشياء المضمنة في مادة متناثرة بكثافة ، وهو ما يشبه رؤية جسم محاط بالضباب.
ليندل وويتزشتاين متحمسون أيضًا لكيفية تمثيل هذا العمل تقاطعًا متعدد التخصصات بعمق بين العلوم والهندسة.
قال ويتزشتاين: "أنظمة الاستشعار هذه عبارة عن أجهزة مزودة بأشعة الليزر وأجهزة الكشف والخوارزميات المتقدمة ، مما يضعها في مجال بحث متعدد التخصصات بين الأجهزة والفيزياء والرياضيات التطبيقية" "كل هذه المجالات الحاسمة والأساسية في هذا العمل وهذا هو الأكثر إثارة بالنسبة لي."
المرجع: "التصوير ثلاثي الأبعاد من خلال وسائط مبعثرة على أساس التصوير المقطعي المنتشر متحد البؤر" بواسطة David B. Lindell و Gordon Wetzstein ، 9 سبتمبر 2020 ، Nature Communications .
DOI: 10.1038 / s41467-020-18346-3
جوردون ويتزشتاين هو أيضًا مدير مختبر التصوير الحاسوبي في ستانفورد وعضو في جامعة ستانفورد بيو إكس ومعهد وو تساي للعلوم العصبية.
تم تمويل هذا البحث من قبل زمالة ستانفورد للخريجين في العلوم والهندسة.
مؤسسة العلوم الوطنية ؛ زمالة سلون ؛ وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة ( DARPA ) ؛ مكتب أبحاث الجيش (ARO) ، وهو عنصر من مختبر أبحاث الجيش التابع لقيادة تطوير القدرات القتالية للجيش الأمريكي ؛ وجامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية (كاوست).
