Уявіть собі: звичайна, нічим не примітна стіна раптом знаходить здатність показувати, що ховається за поворотом. Звучить як наукова фантастика, чи не так? Однак нещодавні досягнення групи дослідників з Науково-технічного університету Китаю в Хефеї наближають нас до цієї, начебто, неможливої перспективи. Вони розробили технологію, яка, по суті, перетворює будь-яку шорстку поверхню на свого роду камеру, здатну «заглядати» за кути. Це не магія, а хитромудре застосування фізики світла та просунутих алгоритмів.
Кожен із нас знає: щоб побачити своє відображення, потрібне дзеркало. Коли промені світла потрапляють на гладку, відполіровану поверхню дзеркала, вони відображаються впорядковано, зберігаючи структуру зображення. Стіна ж зовсім інша справа. Її поверхня, навіть якщо здається гладкою на дотик, на мікрорівні сповнена нерівностей, горбків та западин. Світло, потрапляючи на таку «пересічену місцевість», розсіюється на всі боки хаотично. Саме тому ми не бачимо у стіні чіткого відображення, а лише розмиту світлову пляму. Як влучно висловилася Веньнь Лі, одна з авторів дослідження, їх завдання — «розплутати» це розмиття і відновити приховану сцену». Фактично, вони прагнуть змусити шорстку стіну працювати як дзеркало.
Але як «розплутати» те, що здається безнадійно перемішаним?
В основі методу китайських вчених лежить ретельний процес «навчання» системи. Він складається з кількох ключових етапів:
- Всебічний «знайомство» зі стіною: Насамперед, дослідники ретельно вивчають саму стіну, яка буде «об’єктивом». Вони роблять безліч знімків її поверхні за різних умов освітлення. Це дозволяє створити докладну цифрову карту стіни, що фіксує кожну її мікроскопічну нерівність і особливість того, як її ділянки відображають світло. По суті, це свого роду калібрування, створення унікального паспорта для конкретної стіни.
- Створення цифрового двійника На основі зібраних даних формується точна цифрова модель поверхні стіни. Ця модель передбачає, як саме ця стіна спотворюватиме світлові хвилі, відбиті від прихованого за кутом об’єкта.
- Математичне «прозріння»: І ось тут у справу вступають складні алгоритми. Знаючи, як стіна спотворює світло (завдяки цифровій моделі), і аналізуючи те «хаотичне» світло, яке камера вловлює від стіни, ці алгоритми здатні, образно кажучи, прокрутити процес спотворення у зворотний бік. Вони реконструюють вихідне зображення об’єкта, прихованого прямого погляду. Це трохи схоже на те, ніби ви намагалися відновити розбиту вазу по уламках, знаючи, як саме вона розбилася, і які сили на неї діяли.
Це теж варте вашої уваги – Японія досягла швидкості інтернету в 1 мільйон ГБ за секунду на відстані 1100 миль
І що найдивовижніше, вся ця складна обробка відбувається практично миттєво! Команда продемонструвала отримання зображень у реальному часі зі швидкістю 25 кадрів за секунду. А це, на хвилинку, стандартна швидкість для відеозапису.
І ось тут і криється, мабуть, найвражаюче досягнення, крім самої можливості «бачити» невидиме. Як підкреслює Веньвень Лі, їхній метод не вимагає якогось надскладного чи унікального обладнання. «Існуюча камера вашого телефону, — каже вона, — цілком здатна зібрати всю необхідну нам інформацію». Ця заява відкриває воістину грандіозні перспективи. Адже якщо технологія не потребує спеціальних камер, її можна відносно легко інтегрувати у вже існуючі пристрої: смартфони, планшети, дрони, системи відеоспостереження та навіть автомобілі. І все це без необхідності дорогих апаратних модифікацій.
Значимість цієї роботи підтверджують і незалежні спеціалісти. Клер Велланс з Оксфордського університету, коментуючи дослідження, наголошує на його явній перевагі перед попередніми спробами вирішити проблему «заглядання за кут». За її словами, саме детальне калібрування стіни, тобто облік її найдрібніших просторових характеристик, дозволяє китайським ученим домагатися значно вищого дозволу зображень, що реконструюються. Це не просто «вгадування» контурів, а отримання чіткішої картинки.
Однак, як це часто буває з передовими розробками, шлях до ідеалу тернистий. На даний момент технологія найкраще справляється з реконструкцією зображень об’єктів, які самі випромінюють світло — наприклад, екранів смартфонів, планшетів або дисплеїв, що працюють. Більшість предметів у нашому оточенні світло не випромінюють, а лише відбивають його від зовнішніх джерел (сонця, ламп). Робота з таким відбитим світлом, за словами Лі, поки що дає менш точні результати. Світло виходить «зашумленішим», і відновити з нього чітку картинку складніше.
Це теж варте вашої уваги – Потужний лазер уперше знищив дрон у реальному бою
Але дослідники не збираються зупинятися на досягнутому. Вони вже працюють над створенням нових, більш досконалих алгоритмів, які зможуть ефективно обробляти відбите світло від різних поверхонь. А ви знали, що це одне з найскладніших завдань у сучасній оптиці та комп’ютерному зорі?
Навіть з урахуванням існуючих обмежень потенціал технології величезний. Веньвень Лі бачить безліч можливих застосувань.
- Для сил правопорядку та рятувальників: Можливість безпечно «оглянути» приміщення чи небезпечну зону перед входом, не наражаючи на ризик людей. Це може врятувати життя під час штурму будівель або розбору завалів.
- Для безпілотних автомобілів: Уявіть, автомобіль зможе «побачити» пішохода або інший транспортний засіб, який раптово з’являється через «сліпий» поворот або припарковану машину. Це якісно новий рівень безпеки дорожнього руху.
- У робототехніці: Роботи зможуть краще орієнтуватися в складних і незнайомих просторах, оминаючи перешкоди, які не перебувають у їхній прямій видимості.
Звісно, до повсюдного впровадження таких систем ще далеко. Має бути вирішено чимало технічних завдань, покращити точність і надійність. Але сам факт того, що звичайна стіна, завдяки науці, може бути просто перепоною, а стати джерелом важливої візуальної інформації, справді захоплює дух. Робота команди з Хефея — це яскравий приклад того, як фундаментальні знання про природу світла в поєднанні з сучасними обчисленнями відкривають перед нами воістину фантастичні перспективи. Хто знає, можливо, через кілька років функція «заглянути за кут» стане такою ж буденною в наших гаджетах, як сьогодні — фотокамера або GPS-навігатор. Поживемо – побачимо!
