Uma câmera capaz de ver objetos ocultos por obstáculos

Para funcionar com segurança, carros autônomos devem evitar obstáculos, inclusive aqueles que estão fora do alcance da visão. Para que isso aconteça, precisamos de uma tecnologia capaz de ver melhor do que o homem, diz o engenheiro elétrico David Lindell. Prepare-se para uma demonstração tecnológica breve e inovadora, em que Lindell explica o potencial significativo e versátil de uma câmera de alta velocidade capaz de detectar objetos ocultos por obstáculos.

No futuro,

carros autônomos serão mais seguros
e confiáveis do que seres humanos.

Mas, para isso acontecer,

precisamos de tecnologias

que permitam que os carros
tenham uma reação mais rápida,

de algoritmos capazes de conduzir
melhor do que seres humanos

e de câmeras capazes de ver
mais do que seres humanos.

Por exemplo, imaginem um carro autônomo
prestes a fazer uma curva às cegas

e um carro que se aproxima,

ou talvez uma criança
prestes a correr para a rua.

Felizmente, nosso carro do futuro
terá um superpoder:

uma câmera que vê por trás de obstáculos
e detecta esses possíveis riscos.

Nos últimos anos,

como aluno de doutorado
do Stanford Computational Imaging Lab,

venho trabalhando em uma câmera
capaz de fazer isto:

formar uma imagem de objetos
ocultos por obstáculos

ou fora da linha de visão direta.

Vou lhes dar um exemplo
do que nossa câmera consegue ver.

Realizamos um experimento ao ar livre,

no qual nosso sistema de câmeras escaneia
a lateral de um prédio com um laser,

e a cena que queremos capturar

está oculta, atrás do anteparo
e desta cortina.

Nosso sistema de câmeras
não consegue vê-la diretamente.

Porém, de algum modo,

nossa câmera ainda consegue capturar
a geometria tridimensional desta cena.

Como fazemos isso?

A mágica acontece aqui
neste sistema de câmeras.

Podemos considerá-la uma espécie
de câmera de alta velocidade,

não aquela que opera
a mil quadros por segundo,

nem mesmo a 1 milhão
de quadros por segundo,

mas a 1 trilhão de quadros por segundo.

É tão rápida que consegue capturar
o movimento da própria luz.

Para dar um exemplo
da rapidez com que a luz viaja,

vamos compará-la com a velocidade
de um super-herói veloz dos quadrinhos

capaz de se movimentar
a até três vezes a velocidade do som.

Um pulso de luz leva
cerca de 3,3 bilionésimos de segundo,

ou 3,3 nanossegundos,

para percorrer a distância de um metro.

Nesse mesmo tempo,

nosso super-herói se movimentou

menos do que a espessura
de um fio de cabelo.

É muito rápida.

Mas temos que formar uma imagem
com muito mais rapidez

se quisermos capturar a luz
que percorre escalas milimétricas.

Nosso sistema de câmeras
consegue capturar fótons

em períodos de tempo
de apenas 50 trilionésimos de segundo,

ou 50 picossegundos.

Pegamos uma câmera
de ultra-alta velocidade

e a associamos a um laser
que envia pulsos breves de luz.

Cada pulso é dirigido
a uma parede visível,

e parte da luz se dispersa
de volta à câmera.

Mas a parede também dispersa a luz,
que contorna o anteparo,

atinge o objeto oculto e volta.

Repetimos essa medição várias vezes

para capturar os tempos
de chegada de muitos fótons

de diferentes locais na parede.

Depois de efetuarmos essas medidas,

podemos criar um vídeo da parede
com 1 trilhão de quadros por segundo.

Embora esta parede pareça comum aos olhos,

a 1 trilhão de quadros por segundo,
podemos ver algo verdadeiramente incrível.

Conseguimos ver ondas de luz
refletidas voltando da cena oculta

e batendo contra a parede.

Cada uma destas ondas carrega informações
sobre o objeto oculto que as enviou.

Assim podemos pegar essas medidas

e passá-las a um algoritmo de reconstrução

para então recuperar a geometria
tridimensional da cena oculta.

Agora quero lhes mostrar mais um exemplo
de uma cena interna que capturamos,

desta vez com uma série
de objetos ocultos diferentes.

Como estes objetos
têm aparências diferentes,

eles refletem a luz de modo diferente.

Por exemplo, a estátua polida de dragão
reflete a luz de modo diferente

do globo espelhado

ou da estátua branca do lançador de disco.

Conseguimos ver as diferenças
na luz refletida

visualizando-a como um volume
tridimensional,

em que apenas pegamos
os quadros de vídeo e os empilhamos.

O tempo aqui é representado

como a dimensão
de profundidade deste cubo.

Estes pontos brilhantes que vemos

são reflexos da luz de cada uma
das facetas espelhadas do globo,

que se dispersam contra a parede
ao longo do tempo.

As faixas brilhantes de luz que vemos
chegando mais prontamente

são da estátua polida de dragão
que está mais próxima à parede,

e as outras faixas vêm de reflexos de luz
da estante e da estátua.

Também podemos visualizar essas medidas
quadro a quadro, como um vídeo,

para ver diretamente a luz dispersa.

Novamente vemos aqui, primeiro,
reflexos de luz do dragão,

mais próximo à parede,

seguidos por pontos brilhantes do globo

e outros reflexos da estante.

Finalmente, vemos as ondas
refletidas de luz da estátua.

Estas ondas de luz que iluminam a parede

são como fogos de artifício
que duram apenas trilionésimos de segundo.

Mesmo que estes objetos
reflitam a luz de maneira diferente,

ainda conseguimos reconstruir suas formas.

Isso é o que podemos ver
do que está atrás do anteparo.

Quero lhes mostrar mais um exemplo
que é um pouco diferente.

Neste vídeo, estou vestindo
um traje refletor,

e o sistema de câmera escaneia a parede

a uma velocidade
de quatro vezes por segundo.

Como o traje é refletor,

conseguimos capturar fótons suficientes

para que possamos ver onde estou
e o que estou fazendo,

sem que a câmera forme
uma imagem direta de mim.

Ao capturar fótons que se dispersam
da parede para meu traje refletor,

de volta para a parede e para a câmera,

conseguimos capturar
um vídeo indireto em tempo real.

Achamos que esse processamento
de imagens prático e sem linha de visão

pode ser útil para aplicações
e inclusive carros autônomos,

mas também para processar
imagens biomédicas,

em que precisamos ver
as estruturas minúsculas do corpo.

Talvez também possamos colocar
sistemas semelhantes de câmeras

nos robôs que enviamos
para explorar outros planetas.

Vocês já devem ter ouvido falar
de visão de objetos ocultos,

mas o que mostrei a vocês hoje
seria impossível apenas dois anos atrás.

Agora podemos formar imagens

de grandes cenas ocultas ao ar livre
do tamanho de uma sala

em tempo real

e fizemos avanços significativos
para tornar isso uma tecnologia prática

que podemos ver em um carro algum dia.

Mas é claro que ainda restam desafios,

como: será que é possível formar imagens

de cenas ocultas a longas distâncias,

em que coletaremos pouquíssimos fótons,

com lasers de baixa potência
e seguros para os olhos?

Ou: será que é possível
criar imagens de fótons

que se dispersam muito mais vezes

do que apenas uma única reflexão
por trás do obstáculo?

Será que é possível pegar o protótipo
deste sistema, hoje grande e volumoso,

e miniaturizá-lo em algo útil
para processar imagens biomédicas

ou talvez um sistema aprimorado
de segurança residencial,

ou pegar essa nova modalidade
de processamento de imagem

e usá-la para outras aplicações?

É uma tecnologia nova e interessante,

e pode haver outras coisas para as quais
ainda não pensamos em usá-la.

Um futuro com carros autônomos

pode parecer distante para nós agora.

Já estamos desenvolvendo as tecnologias

que podem tornar os carros
mais seguros e inteligentes.

Com o ritmo acelerado
das descobertas e inovações científicas,

nunca se sabe quais recursos
novos e interessantes

podem estar prestes a surgir.

(Aplausos)