Новая 3D-нанокамера работает со скоростью света и снимает полупрозрачные объекты

"Нанокамеры" стоимостью всего в $500 (16,5 тысяч рублей), которые могут работать со скоростью света, были разработаны исследователями из Массачусетского технологического института в Лаборатории MIT Media Lab.

Трёхмерная камера, которая была представлена на выставке SIGGRAPH 2013 в Гонконге, может быть использована для медицинской визуализации, в качестве детектора преград у автомобилей, а также для повышения точности устройств, отслеживающих движения и распознающих жесты в интерактивных играх.

Камера основана на технологии Time of Flight, она же используется в устройствах второго поколения Microsoft Kinect, в которых расположение объекта рассчитывается, исходя из того, сколько времени занимает у светового сигнала путь до объекта и обратно.

"Тем не менее, в отличие от существующих устройств на базе этой технологии, новую камеру не смогут обмануть ни дождь, ни туман, ни даже полупрозрачные объекты, – рассказывает один из авторов проекта Ачута Кадамби (Achuta Kadambi), аспирант Массачусетского технологического института. – Как известно, современные технологии, даже используемые в устройствах Kinect нового поколения, не способны захватить полупрозрачные объекты в 3D. Но, используя наш метод, можно генерировать 3D-модели полупрозрачных и даже почти прозрачных объектов".

В обычной камере, работающей по технологии Time of Flight, световой сигнал отскакивает от объекта и возвращается в камеру, создавая пиксель изображения. Если объект полупрозрачный, то сигнал также приходит от фона (стены, полотна, руки человека, держащего стеклянную вазу), пиксель получается изменённым. Скорость света используется камерой для вычисления расстояния, которое проходит сигнал. Но изменяющиеся погодные условия, полупрозрачные поверхности, грани, движение − всё это создаёт множественные отражения, которые перемешиваются с настоящим сигналом и тоже возвращаются в камеру: поэтому и трудно определить, какое из измерений верное.

"Новое устройство вместо этого использует технику кодирования, обычно используемую в телекоммуникационной отрасли для вычисления пройденного сигналом расстояния, – поясняет Рамеш Раскар (Ramesh Raskar), профессор медиа-искусств и наук и глава группы в Media Lab. – Наш новый метод позволяет нам кодировать информацию во времени, поэтому, когда данные поступают обратно, мы можем сделать расчёты (как в мире телекоммуникаций), оценив различные расстояния от одного сигнала".

"Этот метод похож на те, что исправляют размытие на фотографиях, – рассказывает аспирант Аюш Бхандари (Ayush Bhandari). – У людей с трясущимися руками получаются нерезкие фотографии с их мобильных телефонов, потому что сигналы с нескольких положений камеры смешиваются в одном изображении. Но существуют методы стабилизации изображения, позволяющие сделать картинку резкой".

Новая технология, которую команда назвала nanophotography (нанофотография), стабилизирует отдельные оптические пути. В 2011 году группа Раскара представила камеру, способную захватывать один импульс света и производить триллион кадров в секунду (мы подробно писали о той разработке). Камера делает это путём "прощупывания" объект с помощью фемтосекундного импульса света, а затем использует высокоскоростное, но дорогое оптическое лабораторное оборудование для составления картинки. Производство такой камеры обходится примерно в $500 тысяч (16,5 миллионов рублей).

Но новая "нанокамера" зондирует объекты с помощью непрерывного волнового сигнала, периодичность которого составляет наносекунды. Это позволяет команде использовать недорогие светодиоды, которые способны загораться и потухать с периодом в несколько наносекунд. К тому же, новая камера получает точное положение объекта, посылая к нему импульс не фемтосекундной, а лишь наносекундной длительности. Это не такая уж большая потеря, если учесть тот факт, что стоимость камеры уменьшилась примерно в тысячу раз.