Новый метод лазерного сканирования может стать основой недорогих 3D-камер для мобильных телефонов.

15.01.12 Представьте себе высококачественную 3D-камеру, которая, с одной стороны, дает более точную информацию, чем Microsoft Kinect, имеет большую дальность действия и работает при любых условиях освещенности.

С другой стороны, эта камера настолько мала, дешева и эффективна с точки зрения потребляемой энергии, что она может быть включена в сотовый телефон при очень незначительном увеличении стоимости последнего. Все эти фантастические возможности обещает новая работа, выполненная исследователями Научно-исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института (MIT Research Lab of Electronics).

Система построена на таких же принципах, на каких строятся существующие трехмерные камеры. Лазер посылает короткий импульс инфракрасного света, а специальный датчик измеряет время, потраченное светом на путь к объекту и обратно. Традиционные системы, работающие на принципе измерения времени используют один из двух доступных методов, что бы получить информацию о глубине каждого пикселя изображения.

Система LIDAR ( LIght Detection And Ranging), использует развертку лазерного луча, который представляет серию коротких импульсов, по одному импульсу на пиксел изображения, для каждого отдельного импульса измеряется время возврата отраженного света. Такие системы медленны и требуют применения механических устройств, осуществляющих развертку лазерного луча.

Более дорогие и высококачественные трехмерные камеры используют иной подход. Вся сцена сразу освещается импульсом рассеянного лазерного света, а для определения глубины каждого пиксела используются матрицы чувствительных элементов. Такие матрицы быстродействующих чувствительных элементов хоть и изготавливаются подобно обычным матрицам, но стоят гораздо дороже. Стоимость таких камер составляет тысячи долларов.

Исследователи из Массачусетского технологического института, применив сложные алгоритмы математической обработки сигнала, совместили два вышеприведенных метода в один достаточно быстродействующий метод. В новой системе используется оригинальный датчик-фотоприемник, который по сути является камерой с одним единственным пикселом, а вся сцена освещается сразу лазером, который вырабатывает серию коротких импульсов.

Для совмещения визуальных данных, полученных обычной камерой с данными глубины используется метод так называемой параметрической обработки сигнала. Он работает благодаря допущению, что все поверхности в пределах одного пиксела изображения являются плоскими. Это, конечно не совсем так, но физика света, отраженного от плоской поверхности более проста, чем физика света, отраженного кривыми поверхностями. Но параметрический алгоритм адаптирует получаемую информацию к математической модели, основанной на отражении света от плоских поверхностей, что позволяет получить весьма точное трехмерное изображение, имея минимум исходной визуальной информации.

Использование сложных математических алгоритмов позволяет использовать весьма простые аппаратные средства, дешевый фотодетектор и обыкновенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), стандартный узел всех мобильных телефонов. Фоточувствительный элемент имеет быстродействие 0.7 наносекунды и для обработки поступающих с него данных вполне хватает производительности процессоров, устанавливаемых в смартфонах. Для сравнения, игровая приставка Xbox для обработки данных от контроллера Kinect требует немалой части вычислительной мощности своего графического процессора (GPU).

www