В новом документе, опубликованном в IEEE Access, члены группы Camera Culture представляют новый подход к построению изображений во время пролета, который увеличивает разрешение по глубине в 1000 раз. Такое разрешение может сделать беспилотные автомобили практичными.Новый подход также может позволить точные измерения расстояний в тумане, который оказался серьезным препятствием для развития беспилотных автомобилей.
На дальности 2 метра существующие времяпролетные системы имеют разрешение по глубине около сантиметра. Этого достаточно для систем помощи при парковке и обнаружения столкновений на современных автомобилях.
Но, как объясняет Ачута Кадамби, аспирант в области электротехники и информатики, медиаискусства и науки и первый автор статьи, «с увеличением диапазона разрешение экспоненциально уменьшается. сценария, и вы хотите, чтобы ваш автомобиль обнаружил объект дальше, чтобы он мог быстро принять решение об обновлении. Возможно, вы начали с 1 сантиметра, но теперь вы вернулись к [разрешающей способности] фута или даже 5 футов. А если вы сделаете ошибку, это может привести к гибели людей ».
На расстоянии 2 метра система исследователей Массачусетского технологического института, напротив, имеет разрешение по глубине 3 микрометра. Кадамби также провел тесты, в ходе которых он послал световой сигнал через 500 метров оптического волокна с регулярно расположенными фильтрами по его длине, чтобы смоделировать падение мощности, возникающее на больших расстояниях, перед тем, как подать его в свою систему.
Эти тесты показывают, что на расстоянии 500 метров система MIT должна по-прежнему достигать разрешения по глубине всего в сантиметр.К Кадамби в работе присоединился его научный руководитель Рамеш Раскар, доцент кафедры медиаискусства и науки и глава группы Camera Culture.Медленное усвоениеПри использовании времяпролетной визуализации в сцену излучается короткая вспышка света, и камера измеряет время, необходимое для возврата, которое указывает расстояние до объекта, который ее отразил.
Чем дольше световая вспышка, тем более неоднозначно измеряется расстояние, на которое она распространяется. Таким образом, длина световой вспышки является одним из факторов, определяющих разрешение системы.Другой фактор, однако, — это скорость обнаружения. Модуляторы, которые включают и выключают световой луч, могут переключаться миллиард раз в секунду, но современные детекторы могут производить только около 100 миллионов измерений в секунду.
Скорость обнаружения — это то, что ограничивает существующие времяпролетные системы до сантиметрового разрешения.Однако, по словам Кадамби, есть еще один метод визуализации, который обеспечивает более высокое разрешение. Этим методом является интерферометрия, при которой луч света разделяется на две части, и половина его продолжает циркулировать локально, в то время как другая половина — «образец луча» — направляется в визуальную сцену.
Отраженный луч образца рекомбинируется с локально циркулирующим светом, и разница в фазе между двумя лучами — относительное выравнивание впадин и гребней их электромагнитных волн — дает очень точное измерение расстояния, пройденного лучом образца. .Но интерферометрия требует тщательной синхронизации двух световых лучей. «Вы никогда не сможете провести интерферометрию в автомобиле, потому что он очень чувствителен к вибрациям», — говорит Кадамби. «Мы используем некоторые идеи из интерферометрии и некоторые идеи из LIDAR, и мы действительно объединяем их здесь».В тактОн также объясняет, что они используют некоторые идеи из акустики.
Каждый, кто выступал в музыкальном ансамбле, знаком с феноменом «избиения». Если, скажем, два певца немного расстроены — один воспроизводит высоту тона 440 герц, а другой 437 герц, — взаимодействие их голосов даст другой тон, частота которого будет разницей между нотами, которые они звучат. повторное пение — в данном случае 3 герца.То же самое и со световыми импульсами.
Если времяпролетная система формирования изображений излучает свет на сцену со скоростью миллиард импульсов в секунду, а возвращающийся свет комбинируется со светом, пульсирующим 999 999 999 раз в секунду, результатом будет световой сигнал, пульсирующий один раз в секунду. — скорость, легко определяемая с помощью бытовой видеокамеры. И этот медленный «ритм» будет содержать всю информацию о фазе, необходимую для измерения расстояния.
Но вместо того, чтобы пытаться синхронизировать два высокочастотных световых сигнала — как это и должно быть в системах интерферометрии — Кадамби и Раскар просто модулируют возвращаемый сигнал, используя ту же технологию, которая и произвела его в первую очередь. То есть они пульсируют уже пульсирующим светом.
Результат тот же, но для автомобильных систем этот подход гораздо практичнее.«Сочетание оптической и электронной когерентности очень уникально», — говорит Раскар. «Мы модулируем свет на несколько гигагерц, так что это похоже на включение и выключение фонарика миллионы раз в секунду.
Но мы меняем это электронно, а не оптически. Комбинация этих двух факторов действительно дает вам энергию. для этой системы ".
Сквозь туманОптические системы гигагерцового диапазона, естественно, лучше справляются с компенсацией тумана, чем низкочастотные системы. Туман проблематичен для времяпролетных систем, потому что он рассеивает свет: он отклоняет возвращающиеся световые сигналы, поэтому они прибывают с опозданием и под разными углами. Попытка выделить истинный сигнал среди всего этого шума слишком сложна для вычислений на лету.
В низкочастотных системах рассеяние вызывает небольшой сдвиг фазы, который просто искажает сигнал, который достигает детектора. Но в высокочастотных системах фазовый сдвиг намного больше по сравнению с частотой сигнала.
Рассеянные световые сигналы, приходящие по разным путям, фактически нейтрализуют друг друга: впадины одной волны будут совпадать с гребнями другой. Теоретический анализ, проведенный в Университете Висконсина и Колумбийского университета, предполагает, что такая отмена будет достаточно широко распространенной, чтобы значительно упростить идентификацию истинного сигнала.