Алгоритмы поляризации света позволили создать серийные датчики глубины с разрешением, в 1000 раз превышающим показатели их предшественников.

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) выяснили, что поляризация света — физическое явление, лежащее в основе технологии создания поляризационных солнцезащитных очков и большинства 3D-фильмов — позволит увеличить разрешение привычных устройств 3D-визуализации в 1000 раз.

Благодаря данной технологии в мобильных телефонах появятся высококачественные встроенные 3D-камеры и можно будет делать фото, сразу же отправляя их на печать с 3D-принтера.

Один из разработчиков новой системы Ахута Кадамби, аспирант лаборатории MIT Media Lab, отметил:

«Уже сегодня можно уменьшить 3D-камеру до размеров, соответствующих параметрам мобильных телефонов. Но это сказывается на чувствительности 3D-датчиков, что приводит к весьма грубому воспроизведению геометрических форм. Мы используем естественные механизмы поляризации. Так благодаря поляризационным фильтрам даже при эксплуатации датчиков низкого качества мы получаем результаты, по качеству заметно превосходящие изображения объектов с лазерных сканеров, применяемых в машиностроении».

Новая система, получившая название Polarized 3D, подробно описана в статье, которую разработчики представят на международной конференции вычислительной техники в конце декабря. Кадамби выступил в роли первооткрывателя, затем к нему присоединился его научный консультант Рамеш Раскар, доцент медиаискусств и науки из MIT Media Lab; Боксин Ши, ранее постдокторант в группе Раскара, в настоящее время научный сотрудник Rapid-Rich Object Search Lab; и Ваге Таамазян, магистрант Сколковского института науки и технологий, основанного в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института.

Отражение поляризованного света

Если рассматривать электромагнитную волну как волнообразную тильду, поляризация будет определять направление символа. Изгиб может появляться сверху и снизу или по обеим сторонам знака, или где-то посередине.

Кроме того, поляризация влияет на специфику отражения света от физических объектов. Если свет попадает на объект прямо, большая его часть будет поглощена, но для всего отраженного объема будет характерен тот же спектр поляризаций, что и у входящего пучка света. Однако при более широких углах отражения вероятнее, что объем отраженного света в пределах конкретного диапазона поляризаций будет значительнее.

Именно поэтому поляризационные очки прекрасно устраняют блики: солнечный свет, отражаясь от асфальта или воды под небольшим углом, как правило, представляет собой довольно концентрированный поляризованный пучок. Таким образом, поляризация отраженного света передает информацию о геометрии освещенных объектов.

О существовании данной взаимосвязи известно уже давно, но применить информацию на практике никак не удавалось из-за весьма двусмысленных теорий о поляризованном свете. Свет с определенной поляризацией, отраженный от поверхности в конкретном направлении и пропущенный через поляризационную линзу, невозможно отличить от света с противоположной поляризацией, отраженного от поверхности в противоположном направлении.

Это означает, что для любой поверхности в визуальной сцене для измерений, полученных на основе поляризованного света, в равной степени действительны две гипотезы относительно ориентации. Подбор всех возможных комбинаций положения конкретной поверхности с тем, чтобы выяснить, какое из них гармонично вписывается в геометрию сцены, приводит к чрезвычайно трудоемким вычислениям.

Поляризация плюс анализ глубины

Чтобы раз и навсегда покончить с существующей неопределенностью, исследователи Media Lab использовали грубые расчеты глубины на основе времени, которое требуется световому сигналу для отражения от объекта и возвращения к своему источнику. Даже при наличии подобной дополнительной информации, определение ориентации поверхности на основе измерений поляризации света произвести довольно сложно, но это можно сделать в реальные сроки, имея в распоряжении графический процессор, вроде специализированных графических чипов большинства игровых приставок.

Экспериментальная установка состояла из Microsoft Kinect – измеряющего глубину при помощи анализа времени отражения — и обычного поляризационного фотообъектива, установленного перед камерой. В ходе каждого исследования разработчики делали по три снимка объекта, каждый раз поворачивая поляризационный фильтр. На основе полученных данных имеющиеся алгоритмы сравнивали степень освещенности готовых изображений.

Сам по себе, на расстоянии нескольких метров, Kinect способен распознать детали диаметром, примерно, в сантиметр. Но благодаря поляризации, экспериментальная система позволила запечатлеть элементы размером в десятки микрометров, т.е. в тысячу раз меньше.

Для сравнения, исследователи также визуализировали несколько объектов с помощью высокоточного лазерного сканера, конструкция которого предполагает предварительную установку необходимого предмета на планшет. Но и здесь разрешение Polarized 3D оказалось выше.

Механически вращающийся поляризационный фильтр вряд ли можно рассматривать в качестве подходящего решения для камеры мобильного телефона, а вот решетки миниатюрных поляризационных фильтров, которые можно накладывать на отдельные пиксели в датчике света – отличная доступная альтернатива. Обработка эквивалента трех пикселей света из расчета на каждый пиксель изображения снизит разрешение камеры мобильного телефона, но не более, чем в случае с фильтрами цветов, которые применяются в современных моделях камер.

Согласно статье разработчиков, системы поляризации будут также способствовать созданию самоуправляемых автомобилей. Имеющиеся экспериментальные образцы подобных машин, в принципе, можно эксплуатировать в условиях нормального освещения, но как только начинается дождь, снег или туман, система дает сбой. Все потому что капли воды в воздухе по-разному рассеивают свет, что заметно затрудняет автоматизированный анализ.

В ходе простых – правда, даже на таком уровне серьезному вычислительному оборудованию пришлось нелегко — тестов исследователям MIT удалось доказать, что их система может использовать информацию интерферирующих волн света для устранения погрешностей, вызванных рассеиванием. По мнению Кадамби:

«Смягчение эффекта рассеивания в экспериментальных сценах – лишь маленький шаг вперед. Но, думаю, вскоре он позволит совершить истинный прорыв».

Йоав Шехнер, доцент электротехники в Technion — Израильском технологическом институте в Хайфе, Израиль, поясняет: «Концепция сочетает в себе два принципа 3D-сканирования, каждый из которых имеет свои плюсы и минусы. Один из них определяет диапазон каждого пикселя сцены: это классика жанра для большинства систем 3D-визуализации. Второй принцип не задает диапазон, но, с другой стороны, уточняет наклон объекта, локально. То есть, если говорить о конкретном пикселе сцены, мы узнаем насколько прямо или наклонно объект расположен».

Шехнер добавляет:

«В данной системе один принцип устраняет неточности, вызванные другим. Благодаря такому подходу, который, практически, искоренил неоднозначность, существовавшую в сфере сканирования формы с помощью поляризации, поляризация может стать универсальным инструментом в сфере машиностроения».