3D-камере хватает одного принятого фотона на каждый пиксель

В номере журнала Science за прошлую неделю исследователи из Лаборатории электроники (RLE) Массачусетского технологического института (MIT) рассказали о новой системе определения дальности по отраженному световому сигналу. Она напоминает широко используемые лазерные дальномеры — лидары, но существенно превосходит их по чувствительности, обеспечивая экономию энергии и возможность надежной работы при ярком солнечном освещении и обилии фоновых помех.

При этом речь идет именно о новом принципе, который применяется, по большей части, к уже имеющемуся коммерческому оборудованию, что обещает существенно снизить затраты на внедрение этой технологии.

Для точного определения расстояния до объекта этой системе достаточно одного принятого фотона — в аналогичных условиях коммерческим лидарам требуется для этого в 100 раз больше фотонов. Кроме того, тот же принцип может быть применен для построения высококачественных 3D-изображений. В этом случае требования к количеству принимаемого отраженного света снижаются в 900 раз. Как отмечает первый автор статьи в Science Ахмед Кирмани (Ahmed Kirmani), первоначально, идея формировать изображение одиночными фотонами воспринималась с недоверием, поскольку в обычных камерах яркость каждого пикселя картинки определяется исходя из количества принятых фотонов.

В традиционных лидарах лазер излучает световые импульсы в направлении ряда фиксированных позиций, которые соответствуют пикселям итогового изображения. Эта процедура повторяется до тех пор, пока для каждой позиции не набирается статистика измерений времени между излучением и приемом, позволяющая исключить ошибочные сигналы, порожденные посторонними фотонами.

Система, созданная в MIT, работает несколько иначе: она испускает световые импульсы до тех пор, пока в детектор не поступит один отраженный фотон, а затем переходит к следующей позиции.

Для того, чтобы зарегистрировать фотон, пришедший от поверхности с высокой отражательной способностью (более яркой), потребуется меньшее количество попыток, чем от более темной. Таким образом, измеряя количество импульсов, потребовавшихся для получения одиночного фотона, система получает предварительную информацию о распределении яркости сцены.

Принятый детектором фотон, разумеется, может быть случайным, генерированным фоновым освещением. К счастью, такие ошибочные измерения подчиняются статистической закономерности, известной в практике обработки сигналов как шум Пуассона или фотонный шум.

Отфильтровав фотонный шум, ученые MIT уже получили изображение, которое можно было распознать невооруженным глазом, но на этом они не остановились. Процесс фильтрации удалось значительно оптимизировать исходя из предположения, что точки сцены, соответствующие смежным пикселям, скорее всего, находятся на одинаковом расстоянии до приемника и имеют близкие отражательные свойства.

«В их работе больше всего впечатляет, что информацию об интенсивности получают из одиночного фотона, что почти противоречит здравому смыслу, — так комментирует статью Джон Ховелл (John Howell), профессор физики Рочестерского университета. — Весьма остроумно применив ряд теоретических методов, они смогли извлечь ее даже в присутствии значительного фонового шума».