Som en serietidning kommer till liv, forskare vid Stanford University har utvecklat ett slags röntgensyn-bara utan röntgenstrålarna. Arbeta med hårdvara som liknar det som gör det möjligt för autonoma bilar att "se" världen runt dem, forskarna förbättrade sitt system med en mycket effektiv algoritm som kan rekonstruera tredimensionella dolda scener baserat på rörelse av enskilda ljuspartiklar, eller fotoner. I tester, detaljerad i ett papper publicerat 9 september i Naturkommunikation , deras system lyckades rekonstruera former som dolts av 1 tum tjockt skum. För det mänskliga ögat, det är som att se genom väggar.

"Många bildtekniker gör att bilder ser lite bättre ut, lite mindre bullriga, men detta är verkligen något där vi gör det osynliga synligt, "sa Gordon Wetzstein, biträdande professor i elektroteknik vid Stanford och seniorförfattare till tidningen. "Detta driver verkligen gränsen för vad som kan vara möjligt med alla typer av avkänningssystem. Det är som övermänsklig syn."

Denna teknik kompletterar andra synsystem som kan se igenom barriärer i mikroskopisk skala-för tillämpningar inom medicin-eftersom den är mer fokuserad på storskaliga situationer, som att navigera självkörande bilar i dimma eller kraftigt regn och satellitbilder av jordens yta och andra planeter genom disig atmosfär.

Överblick från spritt ljus

För att se igenom miljöer som sprider ljus på alla sätt, systemet kopplar ihop en laser med en supersensitiv fotondetektor som registrerar varje bit laserljus som träffar den. När lasern skannar ett hinder som en vägg av skum, en och annan foton kommer att lyckas passera genom skummet, träffa föremålen dolda bakom det och passera tillbaka genom skummet för att nå detektorn. Den algoritmstödda programvaran använder sedan de få fotonerna-och information om var och när de träffar detektorn-för att rekonstruera de dolda föremålen i 3D.

Detta är inte det första systemet med förmågan att avslöja dolda föremål genom spridningsmiljöer, men det kringgår begränsningar i samband med andra tekniker. Till exempel, vissa kräver kunskap om hur långt bort föremålet för intresse är. Det är också vanligt att dessa system endast använder information från ballistiska fotoner, som är fotoner som färdas till och från det dolda föremålet genom spridningsfältet men utan att faktiskt sprida sig längs vägen.

"Vi var intresserade av att kunna avbilda genom spridningsmedia utan dessa antaganden och samla alla fotoner som har spridits för att rekonstruera bilden, "sa David Lindell, en doktorand i elektroteknik och huvudförfattare till tidningen. "Detta gör vårt system särskilt användbart för storskaliga applikationer, där det skulle finnas väldigt få ballistiska fotoner. "

För att göra deras algoritm mottaglig för komplexiteten i spridning, forskarna var tvungna att noggrant designa sin hårdvara och mjukvara, även om hårdvarukomponenterna de använde bara är något mer avancerade än vad som för närvarande finns i autonoma bilar. Beroende på ljusstyrkan för de dolda föremål, skanning i deras test tog allt från en minut till en timme, men algoritmen rekonstruerade den dolda scenen i realtid och kan köras på en bärbar dator.

"Du kunde inte se genom skummet med dina egna ögon, och till och med bara titta på fotonmätningarna från detektorn, du ser verkligen ingenting, "sa Lindell." Men, med bara en handfull fotoner, rekonstruktionsalgoritmen kan avslöja dessa objekt - och du kan inte bara se hur de ser ut, men där de är i 3D-utrymme. "

Utrymme och dimma

Någon dag, en ättling till detta system kan skickas genom rymden till andra planeter och månar för att se genom isiga moln till djupare lager och ytor. På närmare sikt, forskarna skulle vilja experimentera med olika spridningsmiljöer för att simulera andra omständigheter där denna teknik kan vara användbar.

"Vi är glada över att driva detta vidare med andra typer av spridningsgeometrier, "sa Lindell." Så, inte bara föremål gömda bakom en tjock materialplatta utan föremål som är inbäddade i tätt spritt material, vilket skulle vara som att se ett föremål som är omgivet av dimma. "

Lindell och Wetzstein är också entusiastiska över hur detta arbete representerar en djupt tvärvetenskaplig skärning mellan vetenskap och teknik.

"Dessa avkänningssystem är enheter med lasrar, detektorer och avancerade algoritmer, vilket placerar dem i ett tvärvetenskapligt forskningsområde mellan hårdvara och fysik och tillämpad matematik, "sa Wetzstein." Alla dessa är kritiska, kärnfält i detta arbete och det är det som är det mest spännande för mig. "