Os pesquisadores desenvolveram uma nova solução para rastrear objetos escondidos atrás da mídia de espalhamento, analisando as flutuações no "ruído" óptico criado por seu movimento. No jornal da The Optical Society para pesquisas de alto impacto, Optica , pesquisadores da University of Central Florida (CREOL) demonstram sua técnica rastreando a localização de um objeto enquanto ele é movido dentro de uma caixa fechada.

A abordagem pode ajudar no avanço do sensoriamento remoto em tempo real para aplicações militares e outras. Por exemplo, ele poderia ser usado para rastrear veículos ou aeronaves viajando através da névoa. Também pode ser útil para áreas de pesquisa biomédica que envolvem partículas em movimento rápido que não podem ser observadas diretamente, de acordo com os pesquisadores.

Existem muitas tecnologias capazes de detectar, descrever e rastrear objetos que estão distantes ou que não podem ser observados visualmente. Contudo, a maioria das tecnologias existentes, como detecção de luz e alcance (LIDAR), requerem uma linha de visão entre o objeto e o sensor, o que significa que eles não funcionam bem quando o objeto está obscurecido por nuvens, neblina ou outras condições que dispersam a luz.

"Estamos promovendo uma mudança de paradigma, "disse Aristide Dogariu da University of Central Florida e líder da equipe de pesquisa." Em vez de iluminar o objeto com um feixe de luz coerente, estamos iluminando com luz aleatória. Observar como as flutuações da luz são modificadas pela interação com o objeto nos permite recuperar informações sobre o objeto. "

Insights sem linha de visão

As tecnologias de rastreamento existentes usam uma de duas abordagens. Métodos baseados em laser, como LIDAR, apontam um feixe de luz para o objeto e, em seguida, movem o feixe para deduzir informações como o tamanho do objeto, forma e trajetória. Métodos baseados em imagens, por outro lado, pegue uma série de imagens do objeto e execute cálculos para rastrear seu movimento ao longo do tempo.

"Essas são estratégias muito boas que estão em vigor há décadas, e em condições ideais seu desempenho não pode ser superado, "disse Dogariu." Mas assim que algo na linha de visão se espalha e torna a luz aleatória, você se depara com problemas. "

A equipe de Dogariu passou mais de uma década aprendendo como inferir informações a partir das flutuações de luz; eles aplicaram anteriormente esses conceitos para desenvolver novas ferramentas para detectar as propriedades dos materiais e para microscopia de super-resolução. Em sua última pesquisa, eles procuraram rastrear objetos em movimento em condições onde não é possível ver o objeto e não é possível controlar ou localizar a direcionalidade da luz que incide sobre ele.

"Um objeto que está escondido atrás de algum difusor de dispersão não é iluminado por um feixe espacialmente coerente, "disse Dogariu." O movimento do objeto, o tamanho do objeto e as propriedades do objeto afetam as propriedades estatísticas do campo óptico semelhante a ruído, e esse efeito é o que medimos. "

Porque a luz se comporta de uma forma previsível, A equipe de Dogariu conseguiu desenvolver métodos estatísticos para separar o ruído natural das flutuações criadas pelo movimento do objeto alvo.

Testando o método

Para testar a abordagem, os pesquisadores encerraram um pequeno objeto dentro de uma caixa de plástico projetada para espalhar a luz. Brilhar um feixe de luz coerente em uma das paredes de dispersão cria uma fonte de luz secundária dentro da caixa. O objeto alvo espalha essa luz e, em seguida, as ondas de luz são ainda mais aleatórias quando a luz passa de volta pelas paredes de dispersão. A luz é então coletada fora da caixa por um detector de integração, que usa um algoritmo para distinguir o ruído natural das flutuações causadas pelo objeto.

"Se o alvo que está cercado por este gabinete começar a se mover, então, as flutuações que ele impõe à luz que sai da caixa podem ser detectadas de qualquer direção de forma muito eficiente, "disse Dogariu. Embora possa detectar o objeto escondido de qualquer local fora do recinto, o sistema não consegue identificar um objeto imóvel.

Algumas outras tecnologias foram desenvolvidas recentemente para permitir o rastreamento de objetos obscurecidos por meio de varreduras ou imagens repetidas deles ao longo do tempo. Contudo, essas abordagens requerem instrumentos ópticos complexos e processamento de dados em grande escala, o que pode torná-los impraticáveis ​​para seguir objetos que se movem rapidamente.

Em seus experimentos, A equipe de Dogariu conseguiu rastrear com precisão o movimento do objeto dentro do compartimento de dispersão em tempo real usando uma configuração mais simples e versátil. "A vantagem de recuperar informações com base em flutuações é que é mais robusto contra perturbações externas, "disse Dogariu." É robusto contra distúrbios entre a fonte de luz e o objeto e entre o objeto e o receptor. "

Novas oportunidades

Como o sistema extrai informações sobre o movimento em cada direção de forma independente, a abordagem detecta com eficiência a posição para todos os graus de liberdade (esquerda-direita, cima para baixo e diagonal). Além disso, porque o método segue o movimento do centro de massa do alvo, a precisão do rastreamento não é afetada quando o objeto se inclina ou gira.

A principal desvantagem do método é o nível limitado de detalhes que ele pode fornecer sobre o objeto de destino. Embora possa detectar a velocidade e a direção em que o objeto se move e revelar o tamanho do objeto, não pode revelar sua cor, material, ou necessariamente sua forma.

"Você não pode recuperar informações detalhadas com este método, mas se você simplificar a questão para o que você realmente precisa saber, você pode resolver certos problemas orientados para tarefas, "disse Dogariu.

Como uma próxima etapa, a equipe está trabalhando para refinar a abordagem para lidar com ambientes mais complexos, cenas maiores e cenas com níveis mais baixos de luz de entrada. A esperança deles é que essas melhorias aproximem o sistema das aplicações do mundo real em biomedicina, sensoriamento remoto e outras áreas.

Embora a pesquisa envolvesse ondas de luz, abordagens semelhantes baseadas em ruído podem ser implementadas em outros domínios, como acústica ou microondas, Dogariu disse.