Oto rozkład działania obrazowania NLOS i jak potencjalnie możesz zbudować uproszczoną wersję (chociaż prawdziwy system o wysokiej rozdzielczości wymaga wyrafinowanego sprzętu poza zasięgiem większości hobbystów):
Jak działa obrazowanie niezwiązane z prawem (NLOS):
1. Iluminacja: Źródło światła (zwykle laser) świeci na rozproszonej powierzchni odbijającej (jak ściana lub ekran).
2. rozpraszanie: Światło rozprasza się z tej powierzchni. Niektóre z tego rozproszonego światła dotrą do ukrytego obiektu.
3. Więcej rozproszenia: Światło odbija się od ukrytego obiektu i rozprasza się ponownie z widocznej powierzchni.
4. Wykrywanie: Bardzo czuły detektor (zazwyczaj tablica lawiny jednopoziomowej (SPAD) lub podobny czujnik z rozdzielczością czasową) rejestruje słabe światło, które ostatecznie powraca z widocznej powierzchni.
5. obliczenia: Kluczem jest to, że * czas lotu * fotonów (czas potrzebny na podróż z lasera do ukrytego obiektu i z powrotem do detektora) jest mierzony z wyjątkowo wysoką precyzją. Analizując te pomiary czasu lotu i znając geometrię konfiguracji, algorytmy mogą odtworzyć kształt i lokalizację ukrytego obiektu. W tym miejscu pojawia się część „odgrywająca umysł” - informacje o ukrytym obiekcie są kodowane w subtelnych odmianach w czasie przybycia rozproszonych fotonów.
Uproszczona demonstracja (jest to bardziej dowód koncepcji niż prawdziwy system obrazowania NLOS):
Ta uproszczona wersja wykorzystuje bardziej dostępną technologię i koncentruje się na zrozumieniu zasad zamiast osiągania obrazowania w wysokiej rozdzielczości. To bardziej rozpoznawcza demonstracja.
Składniki:
* Dioda laserowa pulsowana: Laser z krótkim pulsem (np. Dioda laserowa o szerokości impulsu kilku nanosekund). Bezpieczeństwo jest * najważniejsze * podczas pracy z laserami. Użyj odpowiedniej ochrony oczu zaprojektowanej dla określonej długości fali lasera. Niższa moc jest ogólnie bezpieczniejsza.
* Fast Photodiode lub Photomultiplier Tube (PMT): Czujnik, który może szybko wykryć impulsy światła. Fotodiody są tańsze, ale PMT są bardziej wrażliwe. Konieczny jest szybki oscyloskop, aby zobaczyć wyjście.
* Oscyloskop: Szybki oscyloskop (szerokość pasma w zakresie GHZ) w celu wizualizacji czasu lotu impulsów laserowych.
* Rozpuszczalnie odbijająca powierzchnia: Biała ściana lub ekran wykonany z matowego białego materiału.
* ukryty obiekt: Prosty, dobrze zdefiniowany obiekt z odblaskową powierzchnią (np. Lustro).
* obiektyw kolimacyjny: Aby skupić wiązkę laserową.
* ciemny pokój: Minimalizuj światło otoczenia, aby uzyskać lepsze wyniki.
* zasilacze: Dla lasera i detektora.
* Złącza i kable: Kable BNC są powszechnie stosowane do łączenia czujnika i lasera z oscyloskopem.
Konfiguracja eksperymentalna:
1. układ: Skonfiguruj powierzchnię rozproszoną (ścianę/ekran). Umieść ukryty obiekt za barierą, aby nie jest bezpośrednio widoczny z lasera i detektora.
2. Wyrównanie laserowe: Cel pulsowany laser na powierzchni rozproszonej. Dostosuj wiązkę laserową, aby rozproszone światło mogło dotrzeć do ukrytego obiektu.
3. Umieszczenie detektora: Ustaw fotodiodę (lub PMT), aby uchwycić rozproszone światło pochodzące z rozproszonej powierzchni odbijającej. Należy ustawić światło, które * może * odskoczyć od ukrytego obiektu.
4. Podłącz do oscyloskopu: Podłącz wyjście spustu lasera (jeśli jest dostępne) i wyjście fotodiody do oscyloskopu.
5. Power up: Włącz laser i detektor.
Procedura:
1. Pomiar tła: Z ukrytym obiektem zapisz sygnał na oscyloskopie. Będzie to „sygnał” zawierający odbicia ze ściany * i * potencjalnie z ukrytego obiektu. Zobaczysz głównie duży pik odpowiadający bezpośredniemu odbiciu z widocznej powierzchni.
2. Pomiar wyjściowy: Całkowicie usuń ukryty obiekt. Ponownie zapisz sygnał na oscyloskopie. Jest to sygnał wyjściowy - odbicie ze ściany bez żadnego wkładu ukrytego obiektu.
3. Analiza: Porównaj dwa sygnały. Poszukaj * bardzo niewielkiego * wzrostu opóźnienia w czasie lotu w zapisie „sygnału” (z ukrytym obiektem). To opóźnienie, choć bardzo małe, reprezentuje dodatkową odległość, którą światło przejechało do ukrytego obiektu iz powrotem. Pojawi się jako niewielkie „ramię” lub zniekształcenie na ogonie głównego impulsu. Im mniejszy obiekt i im dalej, tym trudniej będzie wykryć. Zmiana sygnału będzie prawdopodobnie bardzo subtelna.
4. Obliczenia: Korzystając z prędkości światła i zmierzonej różnicy czasowej (z oscyloskopu), możesz obliczyć dodatkową przebytą odległość. Znając odległość od lasera do widocznej powierzchni, możesz oszacować odległość do ukrytego obiektu.
5. Skanowanie: Aby utworzyć podstawowy „obraz”, możesz systematycznie przesunąć punkt lasera na ścianie (zeskanuj powierzchnię), rejestrując czas lotu w każdym punkcie. Pozwoliłoby to na zbudowanie chmury punktowej. Proces ten byłby czasochłonny i dałby tylko bardzo niską rozdzielczość.
Wyzwania i ograniczenia:
* słaby sygnał: Rozproszone światło jest bardzo słabe, co utrudnia wykrywanie. Potrzebujesz bardzo wrażliwego detektora i środowiska o niskim poziomie szumu.
* Dokładność czasu: Niezwykle precyzyjny czas jest niezbędny. Kluczowy jest oscyloskop o wysokiej przepustowości.
* Złożoność rozpraszania: Proces rozpraszania jest złożony i trudny do dokładnego modelowania.
* Moc obliczeniowa: Rekonstrukcja pełnego obrazu wymaga znacznych zasobów obliczeniowych i zaawansowanych algorytmów.
* Aplikacje prawdziwego świata: Ta uproszczona konfiguracja raczej nie będzie przydatna w praktycznych zastosowaniach w świecie rzeczywistym.
Idąc dalej (dla zaawansowanych hobbystów i badaczy):
* Spad tablice: Tablice diod lawinowych (SPAD) jednoosotonowe są standardem obrazowania NLOS. Są one drogie, ale pozwalają na znacznie lepszy stosunek sygnału do szumu i szybsze akwizycja.
* Zaawansowane algorytmy: Przeglądaj algorytmy, takie jak proporcja wsteczna, dekonwolucja i filtrowana próby wsteczne stosowane w obrazowaniu NLOS. Biblioteki takie jak OpenCV mogą być pomocne.
* Symulacje: Użyj oprogramowania śledzenia promieni, aby symulować proces rozpraszania światła i zoptymalizować konfigurację.
* strukturalne oświetlenie: Zamiast prostego lasera punktowego rozważ użycie ustrukturyzowanych wzorców oświetlenia w celu poprawy rekonstrukcji.
Środki ostrożności:
* bezpieczeństwo laserowe: * Zawsze* noś odpowiednie szklanki bezpieczeństwa laserowego, które są oceniane pod kątem określonej długości fali lasera. Nigdy nie patrz bezpośrednio na wiązkę laserową lub jej odbicia.
* Wysokie napięcie: Jeśli używasz PMT, wymaga zasilania wysokiego napięcia. Zachowaj bardzo ostrożność podczas pracy z wysokim napięciem. Przed włączeniem zasilacza sprawdź wszystkie połączenia.
Ważne rozważania:
* Nie oczekuj, że zbudujesz urządzenie „See-Through Wals.” Ta uproszczona konfiguracja służy celom edukacyjnym i wykazaniu zasad obrazowania NLOS.
* To trudny projekt. Wymaga cierpliwości, umiejętności technicznych i dostępu do specjalistycznego sprzętu.
* Zacznij od małych i budów. Skoncentruj się na zrozumieniu podstawowych zasad przed próbą bardziej złożonych eksperymentów.
Podsumowując, podczas gdy „odgrywający się w myślach obiektyw, który widzi za obiektami”, jest nadmiernym uproszczeniem, zasady obrazowania niezgodnego z prawem są fascynujące i oferują możliwości manipulowania światłem w celu ujawnienia ukrytych informacji. Ten projekt, nawet w uproszczonej formie, może zapewnić cenne doświadczenie edukacyjne w zakresie optyki, elektroniki i przetwarzania sygnałów. Pamiętaj, aby ustalić priorytety bezpieczeństwa i podejść do tego projektu z realistycznymi oczekiwaniami.