Введение: когда зрение нас подводит
Представьте себе беспилотный автомобиль, едущий по дороге в густом тумане. Его камеры и лидары почти ничего не «видят». Или подводный аппарат, пытающийся обнаружить объект на дне в мутной воде. Во всех этих случаях основная проблема — рассеивающая среда, то есть атмосфера или вода, которая поглощает и искажает свет, делая объекты труднодоступными для дистанционного обнаружения. Новая разработка российских ученых из Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники предлагает элегантное решение этой задачи — инновационный способ формирования карты дальностей, позволяющий «видеть» сквозь оптический шум с высокой точностью.
Что такое карта дальностей и зачем она нужна?
Карта дальностей (depth map) — это изображение, в котором каждому пикселю соответствует расстояние до объекта, попавшего в поле зрения сенсора. Такие карты необходимы для:
- автономной навигации (роботы, дроны, автомобили),
- подводных исследований,
- спасательных операций,
- военного применения (например, в условиях задымления или тумана).
От чего отталкиваются: краткий экскурс в технологии
Современные системы дистанционного зрения, особенно активно-импульсные телевизионные измерительные системы (АИ ТИС), используют короткие световые импульсы и фиксируют отражения при помощи матричных фотоприемников. Однако даже самые продвинутые методы сталкиваются с одной серьезной помехой — обратным рассеянием света, которое «засвечивает» изображение, снижая точность.
Что предложено в новом патенте?
Авторы патента RU2837050C1 предлагают усовершенствованный способ формирования карты дальностей, который значительно повышает точность измерений в рассеивающих средах (туман, дым, вода и т.д.).
Суть изобретения:
- Сенсор формирует нечетные кадры с фиксированной экспозицией (для определенной дальности) и четные кадры с увеличенной экспозицией (для других дальностей).
- Из каждого кадра вычитается усреднённый уровень фона, который вызван помехой обратного рассеяния.
- Затем выполняется поэлементное деление: значения яркости в четном и нечетном кадрах делятся друг на друга.
- Результат — точная карта, где каждая точка указывает расстояние до объекта с учетом компенсации искажений.
Почему это работает? Физика и математика под капотом
В условиях тумана фотоприемник улавливает не только отражения от объектов, но и «фон» — остаточный рассеянный свет. В новой методике фон определяется как средняя яркость по изображениям, причем:
- если сцена малозагружена объектами, фон берется по всему кадру;
- если много объектов, фон оценивается по участкам, не занятым объектами;
- при полной «засоренности» сцены — фон оценивают по предварительным кадрам до появления объектов.
Это позволяет учесть реальное распределение оптического шума и скорректировать кадры перед финальной операцией деления.
Эксперимент: доказано в лаборатории
Разработку протестировали в аэрозольной камере Института оптики атмосферы СО РАН. Внутри установили транспаранты на разных дистанциях (от 12 до 24 метров), затем провели два замера:
- В чистой среде — без тумана.
- В тумане — с коэффициентом ослабления β = 0,197 м⁻¹.
Результаты:
- Старый способ: ошибка в тумане составила почти 2 метра.
- Новый способ (с вычитанием фона по методу ФС2): ошибка всего 0,245 м — в почти 8 раз точнее.
Как это устроено технически?
Устройство состоит из следующих основных блоков:
- Синхрогенератор: задаёт частоту импульсов освещения и стробирования.
- Лазерный источник: безопасный для глаз, облучает сцену.
- Матричный фотоприемник: записывает четные и нечетные кадры.
- Вычислители фона и делители: производят вычитание и нормализацию изображения.
- Формирователь карты дальностей: получает итоговое изображение с точной привязкой к расстоянию.
Преимущества нового метода
- Повышенная точность в сложных условиях (дым, туман, вода)
- Универсальность — подходит для загруженных и незагруженных сцен
- Не требует сложной оптики или дорогих адаптивных зеркал
- Работает в реальном времени
Где это может быть использовано?
- Автомобили с автопилотом — безопасное вождение даже в тумане
- Дроны и роботы — уверенная навигация в задымленных или пыльных пространствах
- Армия и спецслужбы — обнаружение целей в условиях плохой видимости
- Подводные исследовательские аппараты — точное картографирование морского дна
- Медицина — потенциально, в биовизуализации через мутные среды
Заключение
Новое изобретение томских инженеров — это шаг вперёд к созданию «зрения» для машин, способного видеть в условиях, когда человеческий глаз и обычные камеры бессильны. Благодаря точному учёту фоновых искажений и динамическому управлению экспозицией, становится возможным строить точные карты глубины даже в самых сложных условиях. А значит — сделать автономные системы ещё безопаснее и умнее.
Подписывайтесь на канал чтобы не пропустить новые статьи