Viendo los objetos a través de las nubes y la niebla

Como un libro de historietas cobra vida, los investigadores de la Universidad de Stanford han desarrollado una especie de visión de rayos X… sólo que sin los rayos X. Trabajando con un hardware similar al que permite a los coches autónomos “ver” el mundo que les rodea, los investigadores mejoraron su sistema con un algoritmo altamente eficiente que puede reconstruir escenas ocultas tridimensionales basadas en el movimiento de partículas individuales de luz, o fotones. En las pruebas, detalladas en un artículo publicado el 9 de septiembre en Nature Communications, su sistema reconstruyó con éxito formas oscurecidas por espuma de una pulgada de espesor. Para el ojo humano, es como ver a través de las paredes.

“Muchas técnicas de imagen hacen que las imágenes se vean un poco mejor, un poco menos ruidosas, pero esto es realmente algo donde hacemos visible lo invisible”, dijo Gordon Wetzstein, profesor asistente de ingeniería eléctrica en Stanford y autor principal del artículo. “Esto realmente está empujando la frontera de lo que puede ser posible con cualquier tipo de sistema de detección. Es como la visión sobrehumana”.

Esta técnica complementa otros sistemas de visión que pueden ver a través de barreras en la escala microscópica – para aplicaciones en medicina – porque está más enfocada en situaciones a gran escala, como navegar en autos auto-conductores en la niebla o en la lluvia fuerte y en imágenes satelitales de la superficie de la Tierra y otros planetas a través de la atmósfera nebulosa.

Supervivencia de la luz dispersa

Para poder ver a través de los ambientes que dispersan la luz en todas direcciones, el sistema empareja un láser con un detector de fotones super-sensible que registra cada bit de luz láser que le llega. A medida que el láser escanea una obstrucción como una pared de espuma, un fotón ocasional se las arreglará para pasar a través de la espuma, golpear los objetos ocultos detrás de ella y pasar de nuevo a través de la espuma para llegar al detector. El software apoyado por el algoritmo utiliza entonces esos pocos fotones — e información sobre dónde y cuándo golpean el detector — para reconstruir los objetos ocultos en 3D.

Este no es el primer sistema con la capacidad de revelar objetos ocultos a través de entornos de dispersión, pero evita las limitaciones asociadas con otras técnicas. Por ejemplo, algunas requieren conocimiento sobre la distancia del objeto de interés. También es común que estos sistemas sólo utilicen la información de los fotones balísticos, que son fotones que viajan hacia y desde el objeto oculto a través del campo de dispersión pero sin dispersarse realmente por el camino.

“Estábamos interesados en ser capaces de obtener imágenes a través de medios de dispersión sin estas suposiciones y recoger todos los fotones que han sido dispersados para reconstruir la imagen”, dijo David Lindell, un estudiante graduado en ingeniería eléctrica y autor principal del artículo. “Esto hace que nuestro sistema sea especialmente útil para aplicaciones a gran escala, donde habría muy pocos fotones balísticos”.

Para hacer su algoritmo susceptible a las complejidades de la dispersión, los investigadores tuvieron que co-diseñar estrechamente su hardware y software, aunque los componentes de hardware que utilizaron son sólo ligeramente más avanzados que los que se encuentran actualmente en los coches autónomos. Dependiendo del brillo de los objetos ocultos, el escaneo en sus pruebas tomó entre un minuto y una hora, pero el algoritmo reconstruyó la escena oscurecida en tiempo real y pudo ser ejecutado en una computadora portátil.

“No se podía ver a través de la espuma con los propios ojos, e incluso con sólo mirar las mediciones de fotones del detector, realmente no se ve nada”, dijo Lindell. “Pero, con sólo un puñado de fotones, el algoritmo de reconstrucción puede exponer estos objetos… y puedes ver no sólo cómo se ven, sino dónde están en el espacio 3D”.

El espacio y la niebla

Algún día, un descendiente de este sistema podría ser enviado a través del espacio a otros planetas y lunas para ayudar a ver a través de las nubes heladas a las capas y superficies más profundas. A corto plazo, los investigadores quisieran experimentar con diferentes ambientes de dispersión para simular otras circunstancias en las que esta tecnología podría ser útil.

“Estamos entusiasmados por llevar esto más allá con otros tipos de geometrías de dispersión”, dijo Lindell. “Por lo tanto, no sólo objetos ocultos detrás de una gruesa losa de material, sino objetos que están incrustados en material de dispersión densa, lo que sería como ver un objeto que está rodeado de niebla”.

Lindell y Wetzstein también están entusiasmados con la forma en que este trabajo representa una intersección profundamente interdisciplinaria de la ciencia y la ingeniería.

“Estos sistemas de detección son dispositivos con láseres, detectores y algoritmos avanzados, lo que los coloca en un área de investigación interdisciplinaria entre el hardware y la física y la matemática aplicada”, dijo Wetzstein. “Todos esos son campos críticos y centrales en este trabajo y eso es lo más emocionante para mí”.

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