Junto com voar e invisibilidade, no topo da lista de superpoderes aspiracionais de toda criança está a habilidade de ver através ou ao redor de paredes ou outros obstáculos visuais. Essa capacidade está agora um grande passo mais perto da realidade, pois cientistas da Universidade de Wisconsin-Madison e da Universidad de Zaragoza, na Espanha, com base nas lições de ótica clássica, mostraram que é possível criar imagens de cenas ocultas complexas usando uma "câmera virtual" projetada para ver em torno das barreiras.

A tecnologia é descrita em um relatório hoje (5 de agosto, 2019) no jornal Natureza . Depois de aperfeiçoado, pode ser usado em uma ampla gama de aplicações, desde defesa e socorro em desastres até fabricação e imagens médicas. O trabalho foi financiado em grande parte pelos militares através da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada do Departamento de Defesa dos EUA (DARPA) e pela NASA, que vê a tecnologia como uma forma potencial de espiar dentro de cavernas escondidas na lua e em Marte.

Tecnologias para alcançar o que os cientistas chamam de "imagem fora da linha de visão" estão em desenvolvimento há anos, mas os desafios técnicos os limitaram a imagens difusas de cenas simples. Os desafios que podem ser superados pela nova abordagem incluem imagens de cenas ocultas muito mais complexas, vendo em volta de vários cantos e fazendo vídeos.

"Esta imagem fora da linha de visão já existe há algum tempo, "diz Andreas Velten, um professor de bioestatística e informática médica na Escola de Medicina e Saúde Pública da UW e o autor sênior do novo Natureza estude. "Tem havido muitas abordagens diferentes para isso."

A ideia básica de imagens sem linha de visão, Velten diz, gira em torno do uso de indiretos, Luz refletida, uma espécie de eco de luz, para capturar imagens de uma cena oculta. Fótons de milhares de pulsos de luz laser são refletidos de uma parede ou outra superfície para uma cena obscurecida e refletida, a luz difusa é refletida nos sensores conectados a uma câmera. As partículas de luz ou fótons recapturados são então usados ​​para reconstruir digitalmente a cena oculta em três dimensões.

"Enviamos pulsos de luz para uma superfície e vemos a luz voltando, e a partir disso podemos ver o que está na cena oculta, "Velten explica.

O trabalho recente de outros grupos de pesquisa tem se concentrado em melhorar a qualidade da regeneração de cena sob condições controladas usando pequenas cenas com objetos únicos. O trabalho apresentado no novo Natureza o relatório vai além de cenas simples e aborda as principais limitações da tecnologia de imagem existente sem linha de visão, incluindo várias qualidades materiais das paredes e superfícies dos objetos ocultos, grandes variações no brilho de diferentes objetos ocultos, complexa inter-reflexão de luz entre objetos em uma cena oculta, e as enormes quantidades de dados ruidosos usados ​​para reconstruir cenas maiores.

Juntos, esses desafios têm impedido as aplicações práticas de sistemas emergentes de imagem fora da linha de visão.

Velten e seus colegas, incluindo Diego Gutierrez da Universidad de Zaragoza, mudou o problema, olhando para ele através de um prisma mais convencional, aplicando a mesma matemática usada para interpretar imagens tiradas com sistemas de imagem convencionais de linha de visão. O novo método supera o uso de um único algoritmo de reconstrução e descreve uma nova classe de algoritmos de imagem que compartilham vantagens exclusivas.

Sistemas convencionais, observa Gutierrez, interpretar a luz difratada como ondas, que podem ser moldados em imagens pela aplicação de transformações matemáticas bem conhecidas às ondas de luz que se propagam através do sistema de imagem.

No caso de imagens sem linha de visão, o desafio de imaginar uma cena escondida, diz Velten, é resolvido reformulando o problema de imagem sem linha de visão como um problema de difração de onda e, em seguida, usando transformações matemáticas bem conhecidas de outros sistemas de imagem para interpretar as ondas e reconstruir uma imagem de uma cena oculta. Fazendo isso, o novo método transforma qualquer parede difusa em uma câmera virtual.

"O que fizemos foi expressar o problema usando ondas, "diz Velten, que também tem cargos docentes no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da UW-Madison e no Departamento de Bioestatística e Informática Médica, e é afiliado ao Morgridge Institute for Research e ao UW-Madison Laboratory for Optical and Computational Instrumentation. "Os sistemas têm a mesma matemática subjacente, mas descobrimos que nossa reconstrução é surpreendentemente robusta, mesmo usando dados realmente ruins. Você pode fazer isso com menos fótons. "

Usando a nova abordagem, A equipe de Velten mostrou que cenas ocultas podem ser visualizadas, apesar dos desafios da complexidade da cena, diferenças nos materiais refletores, luz ambiente dispersa e profundidades de campo variadas para os objetos que compõem uma cena.

A capacidade de projetar essencialmente uma câmera de uma superfície para outra sugere que a tecnologia pode ser desenvolvida a um ponto em que seja possível ver em torno de vários cantos:"Isso deve nos permitir a imagem em torno de um número arbitrário de cantos, "diz Velten." Para fazer isso, a luz tem que sofrer vários reflexos e o problema é como você separa a luz que vem de diferentes superfícies? Esta 'câmera virtual' pode fazer isso. Essa é a razão para a cena complexa:há vários saltos acontecendo e a complexidade da cena que imaginamos é maior do que o que foi feito antes. "

De acordo com Velten, a técnica pode ser aplicada para criar versões virtuais projetadas de qualquer sistema de imagem, até mesmo câmeras de vídeo que capturam a propagação da luz através da cena oculta. Equipe de Velten, na verdade, usou a técnica para criar um vídeo de transporte de luz na cena escondida, permitindo a visualização da luz refletida até quatro ou cinco vezes, que, de acordo com o cientista de Wisconsin, pode ser a base para as câmeras verem em mais de um canto.

A tecnologia poderia ser melhorada ainda mais e de forma mais dramática se arranjos de sensores pudessem ser concebidos para capturar a luz refletida de uma cena oculta. Os experimentos descritos no novo Natureza o papel dependia de apenas um único detector.

Em medicina, a tecnologia é promissora para coisas como cirurgia robótica. Agora, o campo de visão do cirurgião é restrito ao realizar procedimentos sensíveis no olho, por exemplo, e a técnica desenvolvida pela equipe de Velten pode fornecer uma imagem mais completa do que está acontecendo em torno de um procedimento.

Além de ajudar a resolver muitos dos desafios técnicos da imagem fora da linha de visão, a tecnologia, Notas de Velten, pode ser feito para ser barato e compacto, o que significa que os aplicativos do mundo real são apenas uma questão de tempo.