Tillsammans med flygning och osynlighet, högt på listan över varje barns ambitionella supermakter är förmågan att se genom eller runt väggar eller andra visuella hinder. Den förmågan är nu ett stort steg närmare verkligheten som forskare från University of Wisconsin-Madison och Universidad de Zaragoza i Spanien, dra lärdomar av klassisk optik, har visat att det är möjligt att avbilda komplexa dolda scener med en projicerad "virtuell kamera" för att se runt barriärer.

Tekniken beskrivs i en rapport idag (5 augusti, 2019) i tidningen Natur . En gång perfekt, den kan användas i ett brett spektrum av applikationer, från försvar och katastrofhjälp till tillverkning och medicinsk bildbehandling. Arbetet har huvudsakligen finansierats av militären genom U.S.A.s försvarsdepartements Advanced Research Projects Agency (DARPA) och av NASA, som föreställer tekniken som ett potentiellt sätt att titta inuti dolda grottor på månen och Mars.

Teknik för att uppnå vad forskare kallar "icke-siktlinje-avbildning" har utvecklats i åratal, men tekniska utmaningar har begränsat dem till suddiga bilder av enkla scener. Utmaningar som kan övervinnas med det nya tillvägagångssättet inkluderar avbildning av långt mer komplexa dolda scener, se runt flera hörn och ta video.

"Denna avbildning utan synlinje har funnits ett tag, säger Andreas Velten, professor i biostatistik och medicinsk informatik vid UW School of Medicine and Public Health och seniorförfattare till det nya Natur studie. "Det har varit många olika tillvägagångssätt för det."

Grundtanken med icke-synlig bildbehandling, Velten säger, kretsar kring användningen av indirekt, reflekterat ljus, ett slags eko, för att ta bilder av en dold scen. Fotoner från tusentals pulser av laserljus reflekteras från en vägg eller annan yta till en dold scen och reflekteras, diffust ljus studsar tillbaka till sensorer anslutna till en kamera. De återtagna ljuspartiklarna eller fotonerna används sedan för att digitalt rekonstruera den dolda scenen i tre dimensioner.

"Vi skickar ljuspulser till en yta och ser ljuset komma tillbaka, och från det kan vi se vad som finns i den dolda scenen, "Förklarar Velten.

Det senaste arbetet från andra forskargrupper har fokuserat på att förbättra kvaliteten på scenregenerering under kontrollerade förhållanden med små scener med enstaka objekt. Arbetet presenteras i det nya Natur rapporten går utöver enkla scener och tar upp de primära begränsningarna för befintlig icke-synlig bildteknik, inklusive olika materialkvaliteter hos väggarna och ytorna på de dolda föremålen, stora variationer i ljusstyrka för olika dolda objekt, komplex reflektion av ljus mellan föremål i en dold scen, och de massiva mängder bullriga data som används för att rekonstruera större scener.

Tillsammans, dessa utmaningar har stymat praktiska tillämpningar av framväxande icke-siktlinjesystem.

Velten och hans kollegor, inklusive Diego Gutierrez från Universidad de Zaragoza, vände problemet, titta på det genom ett mer konventionellt prisma genom att tillämpa samma matematik som används för att tolka bilder tagna med konventionella synfält. Den nya metoden överträffar användningen av en enda rekonstruktionsalgoritm och beskriver en ny klass av bildalgoritmer som har unika fördelar.

Konventionella system, noterar Gutierrez, tolka diffrakterat ljus som vågor, som kan formas till bilder genom att applicera välkända matematiska transformationer på ljusvågorna som sprider sig genom bildsystemet.

Vid avbildning utan synfält, utmaningen att avbilda en dold scen, säger Velten, löses genom att omformulera icke-siktlinjeavbildningsproblemet som ett vågdiffraktionsproblem och sedan använda välkända matematiska transformationer från andra bildsystem för att tolka vågorna och rekonstruera en bild av en dold scen. Genom att göra det här, den nya metoden förvandlar vilken diffus vägg som helst till en virtuell kamera.

"Det vi gjorde var att uttrycka problemet med hjälp av vågor, säger Velten, som också har fakultetsmöten i UW-Madisons avdelning för el- och datateknik och Institutionen för biostatistik och medicinsk informatik, och är anslutet till Morgridge Institute for Research och UW-Madison Laboratory for Optical and Computational Instrumentation. "Systemen har samma underliggande matematik, men vi fann att vår rekonstruktion är förvånansvärt robust, även med riktigt dålig data. Du kan göra det med färre fotoner. "

Med den nya metoden, Veltens team visade att dolda scener kan avbildas trots utmaningarna i scenkomplexiteten, skillnader i reflektormaterial, spritt omgivande ljus och olika skärpedjup för de objekt som utgör en scen.

Möjligheten att väsentligen projicera en kamera från en yta till en annan föreslår att tekniken kan utvecklas till en punkt där det är möjligt att se runt flera hörn:"Detta bör göra det möjligt för oss att avbilda runt ett godtyckligt antal hörn, "säger Velten." För att göra det, ljus måste genomgå flera reflektioner och problemet är hur man separerar ljuset från olika ytor? Denna "virtuella kamera" kan göra det. Det är anledningen till den komplexa scenen:det är flera studsar som pågår och komplexiteten i scenen vi bildar är större än vad som har gjorts tidigare. "

Enligt Velten, tekniken kan tillämpas för att skapa virtuella projicerade versioner av valfritt bildsystem, även videokameror som fångar spridning av ljus genom den dolda scenen. Veltens team, faktiskt, använde tekniken för att skapa en video av lätta transporter i den dolda scenen, möjliggör visualisering av ljus som studsar upp till fyra eller fem gånger, som, enligt forskaren i Wisconsin, kan vara grunden för kameror att se runt mer än ett hörn.

Tekniken kan förbättras ytterligare och mer dramatiskt om man kan utforma sensorer för att fånga det ljus som reflekteras från en dold scen. De experiment som beskrivs i det nya Natur papper berodde bara på en enda detektor.

Inom medicin, tekniken lovar saker som robotkirurgi. Nu, kirurgens synfält är begränsat vid känsliga ingrepp på ögat, till exempel, och den teknik som utvecklats av Veltens team kan ge en mer fullständig bild av vad som händer runt ett förfarande.

Förutom att hjälpa till att lösa många av de tekniska utmaningarna för icke-synlig bildbehandling, teknologin, Velten anteckningar, kan vara både billig och kompakt, vilket innebär att verkliga applikationer bara är en tidsfråga.