Использование поляризации света может привести к технологическому прорыву в 3D-камерах

Команда исследователей Массачусетского технического института выяснила, что путём манипуляций с поляризацией света – физическим феноменом, используемым в поляризованных очках и большинстве фильмов в формате 3D – можно в 1000 раз повысить разрешение традиционных систем, работающих с 3-мерным изображением. Согласно инженерам, инновационный метод мог бы привести к появлению высококачественных 3D-камер, встроенных в мобильные телефоны.

Использовав данные с контроллера Kinect (а) и поляризованные снимки, исследователи восстановили исходное 3-мерное изображение (с)

Новая технология, получившая название Polarised 3D, также могла бы позволить создавать на 3D-принтере точную копию объекта по фотографии, сделанной при помощи мобильного устройства. Кроме того, применение новой разработки возможно в системах самоуправляемых автомобилей.

Если электромагнитная волну представить в виде завитка, то поляризация характеризуется его направленностью. Поляризация влияет на отражение света от физических объектов. Если свет падает на поверхность под прямым углом, то большая его часть поглощается. Та часть, что отражается, имеет одинаковую поляризацию с падающим светом. При более широком угле падения, свет с определённой поляризацией большей частью отражается от объекта.

Вот почему поляризационные очки хороши для ослабления яркого света: солнечные лучи, отражённые от асфальта или поверхности воды под малым углом имеют очень высокий уровень концентрации и определённый тип поляризации. Поляризация отражённого света несёт в себе информацию о геометрии объектов, от которых он отражается.

Такое поведение известно веками, однако как-то это использовать было сложно ввиду фундаментальной двойственности поляризованного света. Свет с определённой поляризацией, отражённый от поверхности в одном положении и проходящий через поляризационную линзу, не отличим от света с противоположной поляризацией, отражённого от поверхности с противоположным положением.

Для решения проблемы исследователи применили метод измерения временной задержки между излучением света и возвращением к источнику. Но, даже имея данную информацию, вычисление положения поверхности по данным поляризационного света представляет сложную задачу. Расчет может быть проведён в реальном времени при помощи графического ускорителя.

Исследователи провели эксперименты при помощи контроллера Microsoft Kinect, оценивающего расстояние до объекта по времени отражения, и обычной поляризационной линзы, помещённой перед камерой. В каждом эксперименте делалось по три кадра объекта с последующим вращением поляризационного фильтра. Специальным алгоритмом сравнивалась интенсивность света на результирующих изображениях.

На расстоянии в несколько метров контроллер Kinect способен различить физические особенности объектов, размер которых равен сантиметру и более. При добавлении информации о поляризации исследователи смогли улучшить разрешение до десятков микрометра (в 1000 раз).

Механический вращающийся поляризационный фильтр был бы непрактичным в конструкции камеры мобильного телефона, однако, сетки из компактных поляризационных фильтров, работающие для отдельных пикселей на уровне матрицы изображения – коммерчески доступны.

Новая технология могла бы использоваться в разработке систем самоуправляемых автомобилей. Сегодняшние экспериментальные модели надёжно работают в условиях нормального освещения. Но в условиях дождя, снега или тумана, алгоритмы самоуправляемых авто нестабильны. Это происходит потому, что частички воды рассеивают свет непредсказуемым образом, а из-за этого усложняется интерпретация поступающей информации. Исследователи Массачусетского технического института показали, что в некоторых случаях их разработка могла бы извлекать нужную информацию из рассеянного света.