Insieme al volo e all'invisibilità, In cima alla lista dei superpoteri aspirazionali di ogni bambino c'è la capacità di vedere attraverso o intorno ai muri o altri ostacoli visivi. Questa capacità è ora un grande passo avanti verso la realtà in quanto scienziati dell'Università del Wisconsin-Madison e dell'Universidad de Zaragoza in Spagna, attingendo alle lezioni dell'ottica classica, hanno dimostrato che è possibile visualizzare scene nascoste complesse utilizzando una "camera virtuale" proiettata per vedere intorno alle barriere.

La tecnologia è descritta oggi in un rapporto (5 agosto, 2019) sulla rivista Natura . Una volta perfezionato, può essere utilizzato in una vasta gamma di applicazioni, dalla difesa e soccorso in caso di calamità alla produzione e all'imaging medico. Il lavoro è stato finanziato in gran parte dai militari attraverso la Advanced Research Projects Agency (DARPA) del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti e dalla NASA, che immagina la tecnologia come un potenziale modo per sbirciare all'interno di grotte nascoste sulla luna e su Marte.

Le tecnologie per ottenere ciò che gli scienziati chiamano "imaging non a vista" sono in fase di sviluppo da anni, ma le sfide tecniche li hanno limitati a immagini sfocate di scene semplici. Le sfide che potrebbero essere superate dal nuovo approccio includono l'imaging di scene nascoste molto più complesse, vedere dietro più angoli e fare video.

"Questa immagine senza linea di vista è in circolazione da un po', "dice Andreas Velten, professore di biostatistica e informatica medica presso la UW School of Medicine and Public Health e autore senior del nuovo Natura studio. "Ci sono stati molti approcci diversi ad esso."

L'idea di base dell'imaging non in linea di vista, Velten dice, ruota intorno all'uso di strumenti indiretti, luce riflessa, una sorta di eco leggera, per catturare immagini di una scena nascosta. I fotoni di migliaia di impulsi di luce laser vengono riflessi da una parete o da un'altra superficie verso una scena oscurata e il riflesso, la luce diffusa rimbalza sui sensori collegati a una telecamera. Le particelle di luce o fotoni catturati vengono quindi utilizzati per ricostruire digitalmente la scena nascosta in tre dimensioni.

"Inviamo impulsi luminosi su una superficie e vediamo la luce tornare, e da questo possiamo vedere cosa c'è nella scena nascosta, "Spiega Velten.

Il lavoro recente di altri gruppi di ricerca si è concentrato sul miglioramento della qualità della rigenerazione delle scene in condizioni controllate utilizzando piccole scene con singoli oggetti. Il lavoro presentato nel nuovo Natura il rapporto va oltre le semplici scene e affronta i limiti principali della tecnologia di imaging esistente non a vista, comprese le diverse qualità materiali delle pareti e delle superfici degli oggetti nascosti, grandi variazioni di luminosità di diversi oggetti nascosti, complessa interriflessione della luce tra gli oggetti in una scena nascosta, e le enormi quantità di dati rumorosi utilizzati per ricostruire scene più grandi.

Insieme, queste sfide hanno ostacolato le applicazioni pratiche dei sistemi di imaging emergenti non a vista.

Velten e i suoi colleghi, tra cui Diego Gutierrez dell'Universidad de Zaragoza, ribaltato il problema, guardandolo attraverso un prisma più convenzionale applicando la stessa matematica utilizzata per interpretare le immagini scattate con i tradizionali sistemi di imaging a linea di vista. Il nuovo metodo supera l'uso di un singolo algoritmo di ricostruzione e descrive una nuova classe di algoritmi di imaging che condividono vantaggi unici.

Sistemi convenzionali, osserva Gutiérrez, interpretare la luce diffratta come onde, che possono essere modellati in immagini applicando trasformazioni matematiche ben note alle onde luminose che si propagano attraverso il sistema di imaging.

In caso di imaging senza linea di vista, la sfida di immaginare una scena nascosta, dice Velten, viene risolto riformulando il problema dell'imaging non in linea di vista come un problema di diffrazione delle onde e quindi utilizzando trasformazioni matematiche ben note da altri sistemi di imaging per interpretare le onde e ricostruire un'immagine di una scena nascosta. Facendo questo, il nuovo metodo trasforma qualsiasi parete diffusa in una telecamera virtuale.

"Quello che abbiamo fatto è stato esprimere il problema usando le onde, "dice Velten, che ricopre anche incarichi di facoltà presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica dell'UW-Madison e il Dipartimento di Biostatistica e Informatica Medica, ed è affiliato con il Morgridge Institute for Research e l'UW-Madison Laboratory for Optical and Computational Instrumentation. "I sistemi hanno la stessa matematica di base, ma abbiamo scoperto che la nostra ricostruzione è sorprendentemente robusta, anche usando dati davvero pessimi. Puoi farlo con meno fotoni."

Utilizzando il nuovo approccio, Il team di Velten ha dimostrato che le scene nascoste possono essere riprese nonostante le sfide della complessità delle scene, differenze nei materiali dei riflettori, luce ambientale diffusa e profondità di campo variabili per gli oggetti che compongono una scena.

La capacità di proiettare essenzialmente una fotocamera da una superficie all'altra suggerisce che la tecnologia può essere sviluppata fino a un punto in cui è possibile vedere intorno a più angoli:"Questo dovrebbe consentirci di riprendere un numero arbitrario di angoli, " dice Velten. "Per farlo, la luce deve subire più riflessi e il problema è come si separa la luce proveniente da superfici diverse? Questa "fotocamera virtuale" può farlo. Questa è la ragione della scena complessa:ci sono più rimbalzi in corso e la complessità della scena che immaginiamo è maggiore di quanto è stato fatto prima".

Secondo Velten, la tecnica può essere applicata per creare versioni proiettate virtuali di qualsiasi sistema di imaging, persino videocamere che catturano la propagazione della luce attraverso la scena nascosta. La squadra di Velten, infatti, utilizzato la tecnica per creare un video di trasporto della luce nella scena nascosta, consentendo la visualizzazione della luce che rimbalza fino a quattro o cinque volte, quale, secondo lo scienziato del Wisconsin, può essere la base per le telecamere per vedere dietro più di un angolo.

La tecnologia potrebbe essere ulteriormente e notevolmente migliorata se si possono ideare serie di sensori per catturare la luce riflessa da una scena nascosta. Gli esperimenti descritti nel nuovo Natura la carta dipendeva da un solo rivelatore.

In medicina, la tecnologia è promettente per cose come la chirurgia robotica. Ora, il campo visivo del chirurgo è limitato quando si eseguono procedure sensibili sull'occhio, Per esempio, e la tecnica sviluppata dal team di Velten potrebbe fornire un quadro più completo di ciò che accade intorno a una procedura.

Oltre ad aiutare a risolvere molte delle sfide tecniche dell'imaging non a vista, la tecnologia, note di velluto, può essere realizzato per essere sia economico che compatto, il che significa che le applicazioni del mondo reale sono solo una questione di tempo.