Камера, способная заглядывать за угол

По мнению инженера Дэвида Линделла, самоуправляемые автомобили для безопасной работы должны избегать препятствия, включая те, что находятся вне зоны видимости. Для этого нужны технологии, которые видят лучше, чем люди. Пристегните ремни и приготовьтесь к новаторской презентации, в которой Линделл объясняет важность и многогранность высокоскоростной камеры, способной видеть спрятанные за углом объекты.

В будущем

самоуправляемые автомобили
будут безопаснее и надёжнее людей.

Но чтобы это произошло,

нужны технологии, которые позволят машинам

реагировать быстрее, чем людям.

Нужны алгоритмы,
которые работают лучше, чем люди,

и камеры, которые видят больше, чем люди.

Представьте самоуправляемый автомобиль,
делающий слепой поворот,

и другой приближающийся автомобиль

или ребёнка, который хочет
перебежать дорогу.

К счастью, наш автомобиль будущего
обладает суперсилой:

камерой, позволяющей заглянуть за угол
и обнаружить потенциальную опасность.

Уже несколько лет, будучи аспирантом

в стэндфордской лаборатории
вычислительной визуализации,

я работаю над созданием камеры,

способной видеть объекты,

скрытые за углом или
находящиеся вне зоны видимости.

Вот пример того,
что может увидеть наша камера.

Это наш уличный эксперимент,

в котором наша камера
сканирует стену здания лазером,

а пространство, которое мы хотим увидеть,

скрыто за углом, за этой ширмой,

поэтому непосредственно
камера его не видит.

И тем не менее,

камера всё равно может запечатлеть
3D-конфигурацию этого пространства.

Как ей это удалось?

Волшебство происходит здесь,
в этой системе камеры.

Представьте, что это
высокоскоростная камера,

но снимает она со скоростью
не тысяча кадров в секунду

или даже миллион кадров в секунду,

а триллион кадров в секунду.

Так быстро, что она улавливает
движение самого света.

Просто чтобы вы поняли,
насколько быстро движется свет:

давайте сравним его
со скоростью бегущего супергероя,

скорость которого может составлять
до трёх скоростей звука.

Световому импульсу нужно
около 3,3 миллиардных доли секунды,

или 3,3 наносекунды,

чтобы пролететь один метр.

За то же время наш супергерой

пробежал расстояние меньше
ширины человеческого волоса.

Это довольно быстро.

Но нам нужно получать изображение
гораздо быстрее,

чтобы запечатлеть движение света
на расстоянии меньше сантиметра.

Итак, система нашей камеры
может увидеть движение фотонов

за 50 триллионных долей секунды,

или за 50 пикосекунд.

Возьмём эту ультравысокоскоростную камеру

и соединим её с лазером,
посылающим короткие световые импульсы.

Каждый импульс летит до этой стены,

и часть света отбрасывается
обратно в камеру,

но, кроме того, стена нужна
для передачи света за угол,

до спрятанного объекта и обратно.

Мы повторяем этот процесс множество раз,

чтобы определить
время прибытия множества фотонов

с разных точек стены.

После обработки полученных показателей

мы можем создать видео стены
с частотой триллион кадров в секунду.

Эта стена может показаться
вполне обычной невооружённому взгляду,

но при частоте триллион кадров в секунду
мы можем увидеть нечто невероятное.

Мы можем увидеть волны света,
летящие обратно от скрытого пространства

и ударяющиеся об стену.

И каждая такая волна содержит информацию

о скрытом объекте, который её послал.

Затем мы можем взять эти измерения

и применить к ним алгоритм
воссоздания модели,

чтобы восстановить
3D-конфигурацию скрытого пространства.

Приведу в пример ещё один
эксперимент в помещении,

на этот раз со множеством
скрытых объектов.

Все эти объекты выглядят по-разному,

поэтому и свет они отражают по-разному.

Например, глянцевая статуя дракона
отражает свет не так,

как зеркальный диско-шар

или белая статуя метателя диска.

Можно увидеть эту разницу
в отражённом свете

путем его визуализации в 3D-модели,

где мы просто взяли видео кадры
и наложили их друг на друга.

Значение времени находится
на измерении ширины куба.

Эти яркие точки — отражение света

от каждой зеркальной грани диско-шара,

рассеивающегося со временем о стену.

Яркие пучки света,
возвращающиеся раньше всех,

отражаются от глянцевой статуи дракона,
которая находится к стене ближе всего.

А другие пучки света отражаются
от книжного шкафа

и статуи.

Теперь мы также можем визуализировать
измерения кадр за кадром,

как видео,

чтобы увидеть рассеянный свет.

И снова мы увидим сперва
отражение света от дракона,

он ближе всех к стене,

потом яркие точки от диско-шара

и отражения от книжного шкафа.

Наконец, мы видим
волны света от статуи.

Эти волны, подсвечивающие стену,

как фейерверки, длятся всего
триллионную долю секунды.

И несмотря на то, что эти объекты
отражают свет по-разному,

мы всё равно можем восстановить их форму.

Так мы получаем вид пространства за углом.

Приведу немного другой пример.

На видео я одет в светоотражающий костюм.

Наша камера сканирует стену
со скоростью 4 раза в секунду.

Костюм светоотражающий,

поэтому мы можем получить
достаточно фотонов,

чтобы увидеть, где я и что делаю,

при том что камера
напрямую меня не видит.

Получая фотоны, летящие
от стены до костюма,

а потом обратно к стене и до камеры,

мы получаем такое косвенное видео
в реальном времени.

Мы думаем, что такой тип
практичной косвенной съёмки

может быть полезен
как в самоуправляемых автомобилях,

так и для биомедицины,

где нужно видеть мельчайшие
частички нашего организма.

Мы можем также оснастить
подобными камерами роботов,

которых мы отправляем
изучать другие планеты.

Вероятно вы уже знали
о возможности заглядывать за углы,

но то, что я вам сегодня показал,
считалось невозможным

всего два года назад.

Теперь мы можем заснять на улице
скрытые пространства размером с комнату

в реальном времени.

Мы добились существенного прогресса в том,
чтобы эта технология стала практичной

и применимой однажды в автомобиле.

Но, конечно, трудности всё ещё есть.

Сможем ли мы снимать скрытые объекты
на больших расстояниях,

с малым количеством получаемых фотонов

с помощью неэнергозатратных,
безопасных для зрения лазеров?

Или сможем ли мы получить
изображение из фотонов,

которые рассеивались много раз,

а не единожды о стену?

Сможем ли мы взять
нашу пока ещё громоздкую систему-прототип

и уменьшить её так,
чтобы она принесла пользу

для биомедицины

или для улучшенной
системы безопасности дома?

Сможем ли мы применить этот
новый способ съёмки в других областях?

Я думаю, что это замечательная технология,

и, возможно, есть другие способы
её применения,

которые мы ещё не придумали.

Будущее с самоуправляемыми автомобилями

может казаться сейчас таким далёким.

Но мы уже сейчас разрабатываем технологии,

которые сделают автомобили
безопаснее и умнее.

А учитывая частоту
научных открытий и инноваций,

невозможно предугадать,
какие новые прекрасные возможности

могут поджидать вас прямо за углом.

(Аплодисменты)