Comme une bande dessinée prend vie, des chercheurs de l'Université de Stanford ont développé une sorte de vision aux rayons X, mais sans les rayons X. Travailler avec un matériel similaire à ce qui permet aux voitures autonomes de "voir" le monde qui les entoure, les chercheurs ont amélioré leur système avec un algorithme très efficace qui peut reconstruire des scènes cachées en trois dimensions basées sur le mouvement de particules de lumière individuelles, ou photons. Dans les essais, détaillé dans un article publié le 9 septembre dans Communication Nature , leur système a réussi à reconstruire des formes masquées par une mousse de 1 pouce d'épaisseur. A l'oeil humain, c'est comme voir à travers les murs.

"Beaucoup de techniques d'imagerie rendent les images un peu plus belles, un peu moins bruyant, mais c'est vraiment quelque chose où l'on rend l'invisible visible, " a déclaré Gordon Wetzstein, professeur adjoint de génie électrique à Stanford et auteur principal de l'article. "Cela repousse vraiment la frontière de ce qui peut être possible avec n'importe quel type de système de détection. C'est comme une vision surhumaine."

Cette technique complète d'autres systèmes de vision qui peuvent voir à travers des barrières à l'échelle microscopique - pour des applications en médecine - car elle est plus axée sur des situations à grande échelle, comme la navigation dans des voitures autonomes dans le brouillard ou de fortes pluies et l'imagerie par satellite de la surface de la Terre et d'autres planètes à travers une atmosphère brumeuse.

Supervision à partir de la lumière diffusée

Afin de voir à travers des environnements qui diffusent la lumière dans tous les sens, le système associe un laser à un détecteur de photons super sensible qui enregistre chaque parcelle de lumière laser qui le frappe. Pendant que le laser balaye une obstruction comme un mur de mousse, un photon occasionnel réussira à traverser la mousse, frappez les objets cachés derrière et repassez à travers la mousse pour atteindre le détecteur. Le logiciel basé sur l'algorithme utilise ensuite ces quelques photons - et des informations sur l'endroit et le moment où ils frappent le détecteur - pour reconstruire les objets cachés en 3D.

Ce n'est pas le premier système avec la capacité de révéler des objets cachés à travers des environnements de diffusion, mais il contourne les limitations associées à d'autres techniques. Par exemple, certains nécessitent une connaissance de la distance de l'objet d'intérêt. Il est également courant que ces systèmes n'utilisent que des informations provenant de photons balistiques, qui sont des photons qui voyagent vers et depuis l'objet caché à travers le champ de diffusion mais sans réellement se diffuser en cours de route.

« Nous voulions pouvoir imager à travers des supports de diffusion sans ces hypothèses et collecter tous les photons qui ont été diffusés pour reconstruire l'image, " a déclaré David Lindell, un étudiant diplômé en génie électrique et auteur principal de l'article. « Cela rend notre système particulièrement utile pour les applications à grande échelle, où il y aurait très peu de photons balistiques."

Afin de rendre leur algorithme sensible aux complexités de la diffusion, les chercheurs ont dû co-concevoir étroitement leur matériel et leurs logiciels, bien que les composants matériels qu'ils utilisaient ne soient que légèrement plus avancés que ceux que l'on trouve actuellement dans les voitures autonomes. Selon la luminosité des objets cachés, la numérisation dans leurs tests a duré d'une minute à une heure, mais l'algorithme a reconstruit la scène obscurcie en temps réel et pourrait être exécuté sur un ordinateur portable.

"Vous ne pouviez pas voir à travers la mousse de vos propres yeux, et même juste en regardant les mesures de photons du détecteur, tu ne vois vraiment rien, " dit Lindell. " Mais, avec juste une poignée de photons, l'algorithme de reconstruction peut exposer ces objets et vous pouvez voir non seulement à quoi ils ressemblent, mais où ils sont dans l'espace 3-D."

L'espace et le brouillard

Un jour, un descendant de ce système pourrait être envoyé dans l'espace vers d'autres planètes et lunes pour aider à voir à travers les nuages ​​​​glacés vers des couches et des surfaces plus profondes. A plus court terme, les chercheurs aimeraient expérimenter différents environnements de diffusion pour simuler d'autres circonstances où cette technologie pourrait être utile.

« Nous sommes ravis d'aller plus loin avec d'autres types de géométries de diffusion, " dit Lindell. " Alors, pas seulement des objets cachés derrière une épaisse plaque de matériau, mais des objets qui sont noyés dans un matériau densément dispersé, ce qui serait comme voir un objet entouré de brouillard."

Lindell et Wetzstein sont également enthousiasmés par la façon dont ce travail représente une intersection profondément interdisciplinaire de la science et de l'ingénierie.

"Ces systèmes de détection sont des appareils avec des lasers, détecteurs et algorithmes avancés, ce qui les place dans un domaine de recherche interdisciplinaire entre hardware et physique et mathématiques appliquées, " a déclaré Wetzstein. " Tous ces éléments sont critiques, domaines clés de ce travail et c'est ce qui est le plus excitant pour moi."