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Un nouveau dispositif permet de « voir » des objets à travers des surfaces, des nuages ou du brouillard

dispositif reconstruit objets nuages brouillard
| Stanford Computational Imaging Lab

Les auteurs de comics ont fait partie des premières personnes à introduire l’existence de héros disposant d’une vision aux rayons X, comme Superman, leur permettant de voir à travers les objets. Très rapidement, la science s’est intéressée à ces facultés hors du commun pour savoir s’il était possible de les traduire technologiquement. Aujourd’hui, de nombreux systèmes exploitent la puissance des rayons X, de la médecine à l’ingénierie. Une équipe de chercheurs américains a franchi une nouvelle étape en mettant au point un système capable de reconstruire en 3D des objets ou des scènes cachés, notamment lorsqu’ils sont placés derrière un brouillard ou d’épais nuages.

Travaillant avec un matériel similaire à ce qui permet aux voitures autonomes de « voir » le monde qui les entoure, des chercheurs de Stanford ont développé un système avec un algorithme très efficace qui peut reconstruire des scènes cachées en trois dimensions en se basant sur le mouvement de photons individuels. Lors de tests, détaillés dans un article publié dans la revue Nature Communications, leur système a réussi à reconstruire des formes masquées par une mousse de 2.5 cm d’épaisseur. Pour l’œil humain, c’est comme voir à travers les murs.

« De nombreuses techniques d’imagerie rendent les images un peu plus belles, un peu moins parasitées par le bruit, mais ici, c’est vraiment quelque chose où nous rendons l’invisible visible. C’est vraiment repousser la frontière de ce qui peut être possible avec n’importe quel type de système de détection. C’est comme une vision surhumaine », déclare Gordon Wetzstein, professeur de génie électrique à Stanford.

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Cette technique complète d’autres systèmes de vision qui permettent de voir à travers des barrières à l’échelle microscopique — pour des applications en médecine — car elle est plus axée sur des situations à grande échelle, telles que la navigation de voitures autonomes dans le brouillard ou une forte pluie et l’imagerie satellite de la surface de la Terre et d’autres planètes à travers une atmosphère brumeuse.

Exploiter les photons individuels pour reconstruire les objets cachés

Afin de voir à travers les environnements qui diffusent la lumière, le système associe un laser à un détecteur de photons ultra-sensible qui enregistre chaque bit de lumière laser qui le frappe. Lorsque le laser scanne une obstruction comme un mur de mousse, un photon occasionnel parvient à traverser la mousse, heurte les objets cachés derrière elle et repasse à travers la mousse pour atteindre le détecteur. Le logiciel basé sur l’algorithme utilise ensuite ces quelques photons — et des informations sur l’endroit et le moment où ils ont frappé le détecteur — pour reconstruire les objets cachés en 3D.

scanner laser reconstruction objet
Animation montrant le processus de reconstruction laser en action. Les photos individuels traversent la mousse, rebondissent sur le « S », repassent à travers la mousse et sont recueillis par le détecteur afin de reconstruire l’objet caché en 3D. Crédits : Stanford Computational Imaging Lab

Ce n’est pas le premier système capable de révéler des objets cachés à travers des environnements de diffusion, mais il contourne les limitations associées à d’autres techniques. Par exemple, certains systèmes ont besoin de savoir à quelle distance se trouve l’objet d’intérêt. Il est également courant que ces systèmes n’utilisent que des informations provenant de photons balistiques, qui sont des photons qui se déplacent vers et depuis l’objet caché à travers le champ de diffusion, mais sans se diffuser réellement en cours de route.

« Nous voulions pouvoir créer des images à travers des médias diffusants sans ces hypothèses et collecter tous les photons qui ont été dispersés pour reconstruire l’image. Cela rend notre système particulièrement utile pour les applications à grande échelle, où il y aurait très peu de photons balistiques », explique David Lindell.

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Un algorithme de reconstruction exploitable en temps réel

Afin de rendre leur algorithme sensible aux complexités de la dispersion, les chercheurs ont dû co-concevoir étroitement leur matériel et leurs logiciels, bien que les composants matériels qu’ils utilisent ne soient que légèrement plus avancés que ce que l’on trouve actuellement dans les voitures autonomes. Selon la luminosité des objets cachés, la numérisation dans leurs tests prenait entre une minute et une heure, mais l’algorithme a reconstruit la scène obscurcie en temps réel et pouvait être exécuté sur un ordinateur portable.

« Vous ne pouviez pas voir à travers la mousse de vos propres yeux, et même en regardant simplement les mesures de photons du détecteur, vous ne voyez vraiment rien. Mais, avec juste une poignée de photons, l’algorithme de reconstruction peut exposer ces objets — et vous pouvez voir non seulement à quoi ils ressemblent, mais où ils se trouvent dans l’espace 3D », indique Lindell.

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Observer des environnements planétaires à travers les nuages

Un jour, un héritier de ce système pourrait être envoyé à travers l’espace vers d’autres planètes et lunes pour aider à voir à travers les nuages ​​glacés vers des couches et des surfaces plus profondes. À plus court terme, les chercheurs aimeraient expérimenter différents environnements de diffusion pour simuler d’autres circonstances où cette technologie pourrait être utile.

« Nous sommes ravis d’aller plus loin avec d’autres types de géométries de diffusion. Donc, pas seulement des objets cachés derrière une épaisse plaque de matériau, mais des objets qui sont incorporés dans un matériau densément diffusant, ce qui serait comme voir un objet entouré de brouillard ».

Sources : Nature Communications

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