Inżynierowie z amerykańskiego Northwestern University wynaleźli kamerę o wysokiej rozdzielczości, która może zajrzeć za ścianę i pod skórę. Wykorzystuje do tego nie podczerwień czy promieniowanie rentgenowskie, lecz tylko światło widzialne. Jak się to udało?

Prawa optyki pozwalają zajrzeć za róg nieprzeźroczystej przeszkody

Już starożytni Grecy zauważyli, że podczas zaćmienia słońca jego światło, dobiegające spomiędzy liści, rzuca na ziemię odwrócony obraz słonecznej tarczy. Z czasem odkryto, że każdy niewielki otwór działa jak soczewka i pozwala rzutować obrazy – tyle, że odwrócone – na powierzchnie. Zjawisko to dało początek pierwszym urządzeniom zwanym jako camera obscura, czyli aparatami otworkowymi. Gdy odkryto materiały światłoczułe, te aparaty dały początek fotografii.

W 2016 roku ukazała się praca naukowców z MIT pod kierunkiem Ramesha Raskara. Autorzy dowodzili w niej, że z gry światła i cieni można uzyskać informacje o obrazach ukrytych za rogiem jakiegoś nieprzeźroczystego obiektu. Krawędzie przedmiotów również działają jak rodzaj otworu czy przesłony. Można z takich informacji odtworzyć zgrubne ustawienie obiektów czy ustalić liczbę osób kryjących się za przeszkodą.

Dla przeciętnego człowieka ma to niewielkie znaczenie. Ale wojsko i wywiad stwierdziły, że dzięki tym odkryciom można będzie opracować urządzenia, które pozwolą zajrzeć za róg budynku, nie wystawiając się na ostrzał. W tym samym roku Amerykańska agencja wojskowa DARPA przeznaczyła na badania nad tym zjawiskiem prawie 30 mln dolarów.

Laser sprawia, że kamera może działać jak peryskop

Światło słoneczne i pochodzące z latarni czy żarówek jest niespójne i łatwo ulega rozproszeniu, więc obrazy uzyskiwane opisaną powyżej metodą są bardzo słabe. Inaczej jest z laserami, które wytwarzają bardzo spójne wiązki światła. W 2018 roku badacze ze Stanfordu opublikowali pracę, w której dowodzili, że na podstawie odbicia laserowych promieni można zrekonstruować obraz przedmiotu znajdującego się za przeszkodą. Innymi słowy, w świetle lasera każde urządzenie rejestrujące obraz może działać trochę jak peryskop.

W grudniu 2019 roku badacze z MIT oraz Boston University udowodnili, że za zasłonę czy róg budynku można zajrzeć także bez laserów. Wystarczy zdjęcie półcienia rzucanego przez przeszkodę, by móc odtworzyć, co znajduje się za nią.

Jeśli algorytm uczenia maszynowego nauczy się, jak wygląda szum tła w danym miejscu, jest w stanie go odfiltrować. Może wtedy zrekonstruować obraz, który znajduje się za przeszkodą – na przykład za rogiem budynku. Może też pokazać, co się dzieje za ledwo uchylonymi drzwiami. Techniki te nazwano non-light-of-sight imaging, czyli obrazowanie obiektów poza linią wzroku.

Kamera, która widzi przez przeszkody

Teraz badacze donoszą, że skonstruowali kamerę, której nie jest potrzebne nawet „uchylenie drzwi”. Ich urządzenie może zajrzeć nawet pod skórę. W przyszłości być może zajrzy nawet przez kości – na przykład czaszki.

Gdy przyłożymy dłoń do latarki, widzimy tylko przeświecające światło, ale żadnych szczegółów. Światło ulega bowiem rozproszeniu na wielu drobnych przeszkodach i dociera do nas tylko jako jednolity „szum”. Zasadza działania nowej kamery jest bardzo podobna do poprzednich urządzeń, pozwalających zajrzeć za róg budynku lub przeszkodę na podstawie spójnych wiązek światła laserowego.

Urządzenie opracowane przez badaczy pozwala na przykład zrekonstruować trójwymiarowy obraz nawet najdrobniejszych naczyń krwionośnych w skórze. Jak sądzą badacze, w przyszłości uda się także spojrzeć przez kości, na przykład czaszki.

Nowa technologia z pewnością znajdzie zastosowanie w badaniu wnętrza organizmu bez prześwietlania go promieniami rentgena. Ale medycyna to tylko jedno z wielu zastosowań, do których takie urządzenie może się przydać.

Kamera w samochodzie sprawdzi, czy nikt nie nadjeżdża zza zakrętu

Takie kamery zainstalowane w pojazdach będą mogły, na przykład, zajrzeć za zakręt, żeby stwierdzić, czy na naszym pasie ruchu nie ma innego pojazdu ani przeszkody.

– Nasz prototyp rejestruje światło widzialne i podczerwień, ale zasada jego działania nie zmieni się przy innych długościach fal, ani nawet przy innych rodzajach fal. Można będzie stosować ją do fal radiowych czy akustycznych – mówi Florian Willomitzer, główny autor pracy opublikowanej w czasopiśmie naukowym „Nature Communications”.

Nie jest to więc rewolucyjna metoda, ale urządzenie, które wykorzystuje rozwijaną od kilku lat technologię. Pierwsze takie laserowe „urządzenie do widzenia przez przeszkody” powstało w 2014 roku. Wymagało specjalnych kamer umożliwiających rejestrację miliardów klatek na sekundę. Było sporej wielkości i kosztowało pół miliona dolarów. Teraz jest wielkości zwykłej kamery.

Jak mawiał Arthur C. Clarke, „każda wystarczająco zaawansowana technologia jest nieodróżnialna od magii”. To, że – za pomocą odpowiedniej długości fal radiowych oraz algorytmów pozwalających na rozróżnienie sygnałów odbitych od poszczególnych stron – można czytać zamknięte książki, badacze ze Stanfordu wykazali już w 2018 roku.

Źródła: Northwestern University, Nature Communications.