Сверхбыстрая камера позволяет заглянуть за угол

    На Хабре уже писали про созданную в MIT видеокамеру, способную снимать со скоростью затвора в 1 триллионную долю секунды. Недавно учёные разработали способ снимать из-за угла с помощью этой камеры и лазера.

    Лазер излучает импульсы света продолжительностью в несколько фемтосекунд. Эти импульсы отражаются, рассеиваются и часть фотонов попадает в объектив камеры. Благодаря тому, что камера имеет временное разрешение в 2 пикосекунды (за это время фотон пролетает около 0.6 миллиметра), можно определить, какое расстояние преодолели отражённые фотоны. Слегка меняя направление лазерного луча, можно собрать достаточно данных, чтобы воссоздать трёхмерную картину объекта, скрытого за углом. Подробности — на видео:

    Поделиться публикацией
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама

    Комментарии 82

      +3
      Даже распространение сферической волны в ролике показали, они похоже действительно шарят ;)
        –5
        Мда. Вы видно тоже.
          +16
          Есть физическая теорема, которая утверждает, что в любой момент времени излучение можно рассматривать, как суперпозицию сферических волн, у которых источниками являются точечные источники излучения на фронте волны (к сожалению, не вспомню, как называется).

          Я порадовался, что здесь изображены сферические волны, в данном случае их появление показывается при отражении от стены, и что это видео, скорее всего, не монтаж и не подделка, поскольку даже в видео показываются основные принципы оптики, что весьма радует.
            +14
            Сорри, эта «теорема» называется Принципом Гюгенса-Френеля
              +1
              Не понимаю вашего восторга. Это входит в школьный курс физики.
                +31
                Завидую вашей школе.
                  +1
                  У нас на физике тоже об этом рассказывали (привет, учитель физики по прозвищу Хоттабыч! :)
                  Хотя сейчас я бы об этом не вспомнил.
                    +2
                    Это и раньше входило и сегодня входит в школьный курс, но не всякий преподаватель это будет старательно объяснять.
                      +3
                      Чтобы внятно объяснить, нужно понимать. В наших школах, увы, не всякий понимает.
                      +1
                      Круто, -4 в карму и я не могу голосовать. Вы дифракцию в школе не проходили? Я вам сочувствую. Откройте школьный учебник по физике и посмотрите.
                      +1
                      Неожиданный перевес. Вообще и раньше было видно, что с физикой здесь слабо, но чтоб так…
                      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                +32
                Система мотивации на хабре потрясающая: за сложные технические статьи хорошо если очков 10 кармы можно получить, зато за рандомный комментарий, никого не оскорбляющий и оформленный в виде шутки, можно потерять всё нажитое нелегким трудом. ппц.
                  +30
                  Ну да. Это широко известный закон Хабра — карма растёт на топиках и уменьшается в комментариях. За каждую шутку здесь надо быть готовым ответить перед людьми, которые её не поняли :)
                    0
                    Плюсанул бы. Да уже отшутился про сраный Файрфокс.
                    Кстати, вот она — свобода слова под общественным контролем.
                      –2
                      Пирамида Маслоу в действии =)
                        +3
                        При чём здесь пирамида Маслоу?
                        +1
                        Кармодрочерство на весь экран. Система плюсов/минусов далеко неидеальна. Но можно же на это насрать например.
                          +6
                          Если нет цели писать топики — то можно.
                            –1
                            А можно набрать в Гугле слово «хабрахабр» и прочитать, что Хабр — это «Социальное СМИ. Новости о блогах, поиске работы. Обзоры и рейтинги компаний.» Администрация совершенно сознательно сделала топики важнее комментариев. Здесь не форум и не чат. Так что система если и не идеальна, то, по крайней мере, в целом выполняет возложенную на неё задачу. Другой вопрос, что не всем это нравится…
                              0
                              Вот если бы еще топики были важнее комментариев, то ваш коммент был бы очень интересным.
                    +2
                    Почему-то мне кажется, что применение звуковых волн для такого обнаружения обойдется куда дешевле. А может быть даже и проще. Правда возникнут проблемы со звукопоглощающими поверхностями.
                      +3
                      Скорость звуковой волны не так высока.
                        +2
                        Думаете, 340 м/с будет недостаточно? По-моему, более чем.
                          +8
                          Для того, чтобы это понять, нужно сделать как минимум расчёт, а лучше — провести опыт.
                          Пока, притворившись Кэпом, скажу, что разница между 340 м/с и 300 000 000 м/с довольно существенна, и это не может не влиять на качество и результат данного эксперимента, а тем более — будущего использования данной фичи.
                            0
                            разница между 340 м/с и 300 000 000 м/с довольно существенна

                            Ну и что? Быть может, для адекватной «съемки» нужно вообще 100 м/с, а увеличение скорости и соответственно уточнение человеческий глаз и вовсе не заметит.
                            Для того, чтобы это понять, нужно сделать как минимум расчёт, а лучше — провести опыт.

                            Согласен.

                            Ладно, пустой спор)
                              +3
                              Насколько я понял, они используют серию вспышек и потом строят трёхмерную сцену на основе статистики. Это значит, что 340 метров в секунду может быть очень и очень мало. Особенно если применять систему не в камерной лабораторной обстановке, а в реальных условиях, например, на улице.

                              А вообще, про пределы точности и скорости акустических систем лучше спросить у биологов, которые летучих мышей изучают.
                                +8
                                По-моему, проблема со звуком будет не столько в скорости, сколько в том, что он не может быть очень узко направленным. Ведь в той серии вспышек, о которой вы упомянули, каждый луч направлен каждый раз с небольшим смещением. На стене-«зеркале» получается такая себе матрица. И каждый раз свет на объект также падает под несколько другим углом, что по возвращении света обратно в сторону камеры позволяет построить более точную модель объекта.

                                Звук же настолько точечно направить не получится; также, не получится точно определить, с какой точки на стене-«зеркале» звук вернулся обратно в приёмник. Поэтому сколько-нибудь точную модель так не построить. Разве что, наверное, можно определить, есть ли вообще за углом массивный объект.
                                  +3
                                  Опять же, не будучи специалистом в ультразвуковой акустике, не могу сказать, насколько точно ультразвук можно сфокусировать. Бывают, например, такие штуки. Но, скорее всего, и у света, и у звука, и у радиоволн каких-нибудь найдутся свои ниши. Вот под водой сонары вполне успешно используют. Для больших расстояний в воздухе — радар. А сами авторы приводят в качестве примеров возможных применений этой камеры медицину, полицейские операции и системы навигации для автомобилей.
                                +1
                                > Ну и что? Быть может, для адекватной «съемки» нужно вообще 100 м/с

                                Да, возможно, это будет работать на расстояниях до 1 метра. А что, если мне нужно незаметно снять объект на расстоянии 200 метров? В скрытом наблюдении за врагами это просто прорыв будет =)

                                Спор не пустой, интересно разобраться.
                                  +1
                                  Мне тоже интересно разобраться, но у нас недостаточно данных, как мне кажется.
                              0
                              Физические объекты способны передвигаться со сравнимыми скоростями. Понятное дело, никто с помощью подобных устройств не будет наблюдать за летящим истребителем, но скорость автомобиля всего на порядок ниже, а это означает дополнительные сложности при использовании мобильных систем такого рода.
                            +5
                            У звука длина волны сильно больше, через это сильно больше дифракция. Она будет сильно мешаться.
                              0
                              Если чо, можно ультразвуком. Но, конечно, со светом не сравнить :)
                              +3
                              В случае со звуком как минимум получится меньшее разрешение.
                                0
                                А если такое устройство потребуется установить на танк? Шум, вибрации и т.п.
                                  0
                                  А мне почему-то кажется, что лучше использовать зеркало…
                                  +6
                                  Может быть скоро технология дойдёт до того что мы перестанем ругаться на фильмы и сериалы (к примеру CSI очень этим грешит) в которых постоянно происходит вот это — imgur.com/gallery/y61lQ :))
                                  Конечно использование особенной камеры с лазерами и специальной установкой это совсем не тоже самое что магическим способом увеличить картинку 320x240 и увидеть все детали, но согласитесь, заглянуть за угол простым лазером — это уже всего пару лет назад казалось полной фантастикой!
                                    +5
                                    Тут точнее будет сравнить с фильмами, где берут спутниковый снимок и поворачивают изображение в 3D, чтобы посмотреть, а что же там с другой стороны. :-)
                                      0
                                      Если Вы имеете в виду фильм «Дежавю» 2006 года, то там в середине фильма выяснилось, что тот поворот изображения, про который главному герою вешали лапшу на уши насчёт компьютерной обработки нескольких одновременных спутниковых снимков, на самом деле является результатом работы секретной машины времени, подглядывающей в прошлое под произвольным углом.
                                        0
                                        «Дежавю» не смотрел. Вообще, я никакой конкретный фильм не имел в виду, просто подобные ляпы повторяются из фильма в фильм и давно уже стали нарицательными.
                                    +3
                                    Я уже знаю, какой будет новый девайс в новом Splinter Cell :)
                                      +4
                                      Поулчается, что плоскость, от которой отражается лазер, используют как зеркало. Без «зеркала» за угол камере не заглянуть. Заголовок немного жёлтый :)
                                      А технология крутая, что и говорить.
                                        0
                                        В том то и дело, что не как зеркало. Поверхность может быть матовой. Системе достаточно рассеянных фотонов.
                                          +6
                                          Поэтому я и взял «зеркало» в кавычки.
                                          0
                                          Немного доработать и, я думаю, можно будет в качества зеркала использовать любую поверхность, в том числе и пол (асфальт, землю). Ситуации, когда у угла нету абсолютно никаких поверхности, крайне редки.
                                            +2
                                            Думаю, что поверхность должна быть ещё и расположена по отношению к объекту под определённым углом (тоже по аналогии с зеркалом). Хотя, вероятно, для матовых поверхностей это не столь важно, особенно учитывая, что используется лазер, а не обычный свет.
                                              0
                                              Помимо угла видимо расстояние между «зеркалом» и объектом тоже играют роль.
                                          • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                            • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                              • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                                • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                                  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                                      0
                                                      в планетарном масштабе это будет выглядеть как попытка сфотографировать напыление на линзе
                                            +1
                                            Впечатляет. А как они, интересно, заднюю часть манекена получить смогут?)
                                              +1
                                              По-моему, при такой технологии нет принципиальной разницы между задней и передней частью. Разве что точность будет меньше из-за большего числа переотражений — меньше фотонов долетит до камеры. Но могут быть мёртвые зоны, если вокруг много открытого пространства или плохо отражающих (чёрных матовых) поверхностей.
                                                +1
                                                Разве как-то можно определить, отразился ли фотон от задней стенки объекта или от другого объекта, который просто находится дальше? Единственное, что можно определить, — это расстояние, которое прошёл свет, но не его траекторию.
                                                И не забывайте, что коэффициент затухания света при переотражении очень высок.
                                                  +1
                                                  Я думаю можно. Собственно, их система именно это и делает всё время. Вы обратили внимание, что у них на видео фотоны попадают в объектив после нескольких переотражений? И картинка строится не по одной вспышке, а по многим. То есть некий алгоритм на основании этой статистики строит предположения о форме объектов за углом. Конечно, фотонов, отразившихся от задней части объекта будет намного меньше. Это означает лишь, что точность полученной модели будет хуже, но не полную невозможность получить изображение обратной стороны. По крайней мере, пока есть объекты позади исследуемого предмета, от которых смогут отразится фотоны, попавшие на обратную сторону.
                                                    +1
                                                    Мне кажется после 4-5 переотражений от фотонов в волне ничего не останется, т.е. надо слишком чувствительную камеру, чтобы зафиксировать остатки.
                                                    И мне просто интересно, как фотон может долететь до задней части манекена и отразиться от задней стенки так, чтобы попасть в объектив камеры?
                                                    Я представляю себе картину в голове как будут распространяться волны и так получается, что если после каждого столкновения с поверхностью порождается волна (мощность которой при отражении уменьшается на порядок) и сквозь манекена она не проходит, то в объектив по примерно схожей с траектории (до отражения от задней части манекена) ни один фотон не попадёт. Т.к. после отражения от задней стенки обратно вернуться под правильным углом ничего не может, т.к. мешает манекен и волна будет просто отражаться ещё раз от задней части манекена пока от волны ничего не останется.

                                                    Хотя моё представление может и не правильное. К сожалению, не могу визулизировать процесс, чтобы продемонстрировать вам как я себе это представляю…
                                                      +2
                                                      вы же при включении света в коридоре видите отсвет, к примеру, в комнате или на кухне
                                                      а туда он попал именно после 4-5 переотражений
                                                        –1
                                                        И возвращается примерно в место излучения огибая препятствия?)
                                                          +1
                                                          возвращается
                                                          только не огибая, а переотражаясь
                                                            0
                                                            Это был немного сарказм. Я хорошо представляю себе как свет (радиоволны) распространяется в пространстве.
                                                0
                                                Очень просто, уловив фотон, котрый прошел путь дальняя стенка (зеркало), ближняя стенка, задняя часть маникена, ближняя стенка и опять дпльняя стенка. И по поводу зеркала, поверхность и должна быть не однородная, чтоб разбить лучь на облако фотонов как в клипе хорошо показанно. Крутая технология. Понравилось. И главное все просто относительно. И да по поводу использования звука, как писали выше. Пересмотрите клип, за счет как раз высоко скорости становится доступно такое высокон разрешение. Автору, спасибо за материал.
                                                +1
                                                Простите за глупый вопрос — а насколько эта система эффективна для неравномерной поверхности? Например: валун земли, кирпичная стена, цилиндрическая поверхность или многогранная…
                                                  0
                                                  Я думаю, система гораздо более чувствительна к коэффициенту поглощения поверхностей, чем к их форме. Используется ведь диффузное отражение.
                                                  +1
                                                  Пытаясь понять что к чему, сначала подумал что скорее повесился бы чем реализовал подобную идею в прототипе, а потом пришел к мысли что по сути мы используем зеркало чтобы заглянуть за угол. Просто поверхность его не настолько структурирована (отполирована), чтобы использовать привычным путем. Посему пытаемся на основе гораздо менее плотной сетки замеров поймать образ отраженного изображения, путем подсветки характерным излучением, которое на входе камеры и ловим (отфильтровывая остальное).
                                                  Все еще сложно представить детали (ну время полета сигнала мне абсолютно понятно, как понять например что сигнал отразился от зеркала в нужную сторону, а не хаотично в другую? при условии не полированной не зеркальной поверхности), но получается что данный случай как очень частный случай зеркала со вспышкой у камеры, am i right?
                                                    0
                                                    Я думаю, алгоритм примерно такой: сначала вспышки отражённого света группируются по расстояниям, благодаря чему мы можем приблизительно оценить размеры пространства за углом, сложность формы предметов и приблизительные размеры и/или коэффициент отражения отражающих поверхностей. Затем программа может начинать строить гипотезы о взаимном расположении этих отражающих поверхностей. Каждая новая вспышка под слегка другим углом подтверждает одни гипотезы и опровергает другие. Постепенно одна из гипотез вырывается вперёд и мы получаем искомую модель. Возможно, что-то вроде SLAM
                                                      0
                                                      Получается каждый вернувшийся сигнал дает нам полусферу относительно точки на зеркале. Но проблема в том что каждый импульс лазера дает много итоговых сигналов, соответственно сфер будлет много для каждой точки. Только получив данные по множеству точек можно будет искать пересечения, но вот в ту математику я уже не полезу. Спасибо, стало яснее
                                                    0
                                                      +4
                                                      Я так понимаю, вы пришли к этому выводу из факта про сходящийся ряд на википедии? А точнее, из того, что мощность удваивается, а мощность * время = число вычислений => с удвоенной мощностью тоже число вычислений (неудачно, ну да ладно) можно за вдвое меньшее время проделать?
                                                      Тут есть несколько проблем. Ну во-первых, вычисления не бесконечно делимы и половина «вычисления» — это тоже, что и ноль «вычислений». А во-вторых, логика неверна сама по себе. Ведь, смотрите: сегодня X, завтра мощность возросла в 2 раза — 2X, потом 4X. Ну да, просуммируем, получим бесконечность. Но только, если просуммируем до бесконечности — а это бесконечное время. Понятно, что если брать непрерывный аналог ничего качественно не изменится. А ваша ошибка в том, что вы пытаетесь какбы с изнанки суммировать ряд чтоли, но делаете это не правильно, ведь обратный к ряду \sum_{n=0}^{\inf} \frac{2^n}, который надо вычислять, не ряд \sum_{n=0}^{\inf} \frac{1}{2^n}, который вычисляете вы.
                                                      Это все если я верно понял суть ошибки :)
                                                        +1
                                                        О_о
                                                        я же на другой странице хабра был?!?!
                                                          +8
                                                          вас призвали =)
                                                        0
                                                        Потора года назад публиковались кое-какие материалы по этой теме: www.membrana.ru/particle/2032
                                                          +1
                                                          Ученые изобрели зеркало?
                                                            0
                                                            Изобретение практически бесполезное т.к. работать сможет только в лабораторных условиях, близких к идеалу.
                                                            1. Кто гарантирует отсутствие вибраций стен, опоры и отсутствие подвижности предмета за углом?
                                                            2. Кто гарантирует отсутствие засвета камеры побочными источниками света? Светофильтры — это хорошо, но ведь даже у обычной лампы накаливания спектр о-го-го!

                                                            Пару лет назад в США была представлена система лазерной подслушки. Пучек залера фокусировался на окне прослушиваемого помещения, а отраженный пучек получался уже промодулированным по частоте колебаний стекла. Собственно звук напрямую.

                                                            Система потерпела фиаско при первых же испытаниях т.к. проезжающие автомобили заставляли вибрировать стекло и ладерную установку. Прибор пришлось перекалибровывать снова и снова пока не проехало метро. После этого эксперимент закончили с итогом — не применимо в городских условиях.

                                                            Но ученым конечно прикольно было позагоняться :)
                                                              +3
                                                              Да что вы говорите?! Системы лазерной подслушки известны не первый десяток лет и успешно применяются.

                                                              Вибрация стен и предметов практически не меняет длину пути фотона.

                                                              Перемещение объекта — вопрос эффективности алгоритмов распознавания, а не принципиальное ограничение системы. Импульсы лазера настолько короткие, что за несколько миллисекунд можно сделать многие десятки тысяч вспышек и дождаться отражений.

                                                              Про засвет побочными источниками — вы что, ни разу не фотографировали с мощной вспышкой при ярком свете?
                                                                0
                                                                Я говорю о оегметрической оптике 8го класса. Угол падения равен углу отражения. И никто меня не переубедит в обратном.
                                                                А колебания поверхностей (особенно домов и т.п. крупных объектов) может достигать весьма приличных амплитуд (до десятков сантиметров) и чтобы ваши магические лазеры могли эти колебания компенсировать — они должны быть не просто точными (этого и так хватает), они должны еще и располагаться на гиростабилизированных платформах (и при этом будут компенсированы только колебания опоры). А чтобы учесть колебания прослушиваемого объекта (которые являются величиной случайной), нужно еще и уметь менять направление излучаемого пучка света и положение приемника отраженного пучка. Причем делать это нужно очень точно (до сотых долей миллиметров, но с большой скоростью — до единиц сантиметров в секунду). А чем больше дистанция — тем больше амплитуда подстройки. Вот и считайте. Вспоминайте геометрию того же 8го класса — третья теорема о подобии треугольников вам в помощь.
                                                              0
                                                              Качественный пример подачи информации.
                                                                0
                                                                Я считаю, черт с ним с 3д изображением скрытого объекта. А вот пикосекундную камеру надо брать :)
                                                                  –1
                                                                  как-то подумалось-а не проще ли сделать голографический снимок, а уже его повернуть как нужно и разглядеть?
                                                                  простота, конечно, условная, но всё-же
                                                                  0
                                                                  Мне это напомнило прнцип голографии — осветив опорным лучом объект и пластинку, получим интерференционную картинку. В ней тоже заложена очень высокая точность (порядка длины волны) измерения пути каждого луча. Если сделать один кадр и применить некие хитрые алгоритмы, разве мы не получим то же самое без камеры за стомильонов баксов?

                                                                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                                  Самое читаемое