I ricercatori hanno sviluppato una nuova soluzione per tracciare gli oggetti nascosti dietro i mezzi di diffusione, analizzando le fluttuazioni del "rumore" ottico creato dal loro movimento. Nella rivista The Optical Society per la ricerca ad alto impatto, ottica , i ricercatori della University of Central Florida (CREOL) dimostrano la loro tecnica tracciando la posizione di un oggetto mentre viene spostato all'interno di una scatola chiusa.

L'approccio potrebbe aiutare a far progredire il telerilevamento in tempo reale per applicazioni militari e di altro tipo. Per esempio, potrebbe essere utilizzato per tracciare veicoli o aerei che viaggiano nella nebbia. Potrebbe anche essere utile per aree della ricerca biomedica che coinvolgono particelle in rapido movimento che non possono essere osservate direttamente, secondo i ricercatori.

Esistono molte tecnologie in grado di rilevare, descrivere e seguire oggetti che sono lontani o che non possono essere osservati visivamente. Però, la maggior parte delle tecnologie esistenti, come il rilevamento e l'intervallo della luce (LIDAR), richiedono una linea di vista tra l'oggetto e il sensore, il che significa che non funzionano bene quando l'oggetto è oscurato dalle nuvole, nebbia o altre condizioni che diffondono la luce.

"Stiamo promuovendo un cambio di paradigma, ", ha affermato Aristide Dogariu dell'Università della Florida centrale e leader del gruppo di ricerca. "Invece di illuminare l'oggetto con un fascio di luce coerente, lo illuminiamo con una luce casuale. Osservare come le fluttuazioni della luce vengono modificate dall'interazione con l'oggetto ci consente di recuperare informazioni sull'oggetto".

Approfondimenti senza una linea di vista

Le tecnologie di tracciamento esistenti utilizzano uno dei due approcci. I metodi basati sul laser come LIDAR puntano un raggio di luce sull'oggetto e quindi spostano il raggio per dedurre informazioni come le dimensioni dell'oggetto, forma e traiettoria. Metodi basati sull'imaging, d'altra parte, prendere una serie di immagini dell'oggetto e quindi eseguire calcoli per tracciare il suo movimento nel tempo.

"Si tratta di ottime strategie che esistono da decenni, e in condizioni ideali le loro prestazioni non possono essere superate, " disse Dogariu. "Ma non appena qualcosa nella linea di vista si disperde e rende casuale la luce, ti imbatti in problemi".

Il team di Dogariu ha trascorso più di un decennio a imparare come dedurre le informazioni dalle fluttuazioni della luce; in precedenza hanno applicato questi concetti allo sviluppo di nuovi strumenti per il rilevamento delle proprietà dei materiali e per la microscopia a super risoluzione. Nella loro ultima ricerca, hanno cercato di tracciare oggetti in movimento in condizioni in cui non è possibile vedere l'oggetto e non è possibile controllare o individuare la direzionalità della luce che lo colpisce.

"Un oggetto nascosto dietro un diffusore a dispersione non è illuminato da un raggio spazialmente coerente, " disse Dogariu. "Il movimento dell'oggetto, la dimensione dell'oggetto e le proprietà dell'oggetto influenzano le proprietà statistiche del campo ottico simile al rumore, e questo effetto è ciò che misuriamo."

Perché la luce si comporta in modo prevedibile, Il team di Dogariu è stato in grado di sviluppare metodi statistici per separare il rumore naturale dalle fluttuazioni create dal movimento dell'oggetto bersaglio.

Testare il metodo

Per testare l'approccio, i ricercatori hanno racchiuso un piccolo oggetto all'interno di una scatola di plastica progettata per diffondere la luce. Far brillare un raggio di luce coerente su una delle pareti di dispersione crea una fonte di luce secondaria all'interno della scatola. L'oggetto target disperde questa luce e quindi le onde luminose vengono ulteriormente randomizzate quando la luce ritorna attraverso le pareti di dispersione. La luce viene quindi raccolta all'esterno della scatola da un rilevatore integrato, che utilizza un algoritmo per distinguere il rumore naturale dalle fluttuazioni causate dall'oggetto.

"Se il bersaglio che è circondato da questo recinto inizia a muoversi, quindi le fluttuazioni che impone alla luce che esce dalla scatola possono essere rilevate da qualsiasi direzione in modo molto efficiente, " disse Dogariu. Sebbene possa rilevare l'oggetto nascosto da qualsiasi posizione al di fuori del recinto, il sistema non è in grado di identificare un oggetto immobile.

Recentemente sono state sviluppate alcune altre tecnologie che consentono il tracciamento di oggetti oscurati mediante scansioni o immagini ripetute nel tempo. Però, questi approcci richiedono strumenti ottici complessi ed elaborazione di dati su larga scala, il che può renderli poco pratici per seguire oggetti in rapido movimento.

Nei loro esperimenti, Il team di Dogariu è stato in grado di tracciare con precisione il movimento dell'oggetto all'interno del recinto di dispersione in tempo reale utilizzando una configurazione più semplice e versatile. "Il vantaggio di recuperare informazioni basate sulle fluttuazioni è che è più robusto contro le perturbazioni esterne, " ha detto Dogariu. "È robusto contro i disturbi tra la fonte di luce e l'oggetto e tra l'oggetto e il ricevitore."

Nuove opportunità

Poiché il sistema estrae le informazioni sul movimento in ogni direzione in modo indipendente, l'approccio rileva in modo efficiente la posizione per tutti i gradi di libertà (sinistra-destra, su-giù e diagonale). Inoltre, perché il metodo segue il movimento del centro di massa del bersaglio, la precisione del tracciamento non viene influenzata quando l'oggetto si inclina o ruota.

Lo svantaggio principale del metodo è il livello limitato di dettagli che può fornire sull'oggetto di destinazione. Sebbene possa rilevare la velocità e la direzione con cui l'oggetto si muove e potrebbe essere in grado di rivelare le dimensioni dell'oggetto, non può rivelare il suo colore, Materiale, o necessariamente la sua forma.

"Non è possibile recuperare informazioni dettagliate con questo metodo, ma se semplifichi la domanda in ciò che hai veramente bisogno di sapere, puoi risolvere alcuni problemi orientati al compito, " disse Dogariu.

Come passo successivo, il team sta lavorando per perfezionare l'approccio per gestire ambienti più complessi, scene più grandi e scene con livelli inferiori di luce in entrata. La loro speranza è che questi miglioramenti avvicinino il sistema alle applicazioni del mondo reale in biomedicina, telerilevamento e altre aree.

Sebbene la ricerca abbia coinvolto le onde luminose, approcci simili basati sul rumore potrebbero essere implementati in altri domini, come l'acustica o le microonde, ha detto Dogariu.