Ecco una ripartizione di come funziona l'imaging NLOS e di come potresti potenzialmente costruire una versione semplificata (sebbene un vero sistema ad alta risoluzione richieda apparecchiature sofisticate al di fuori della portata della maggior parte degli hobbisti):
Come funziona l'imaging non line-of-sight (NLOS):
1. Illuminazione: Una sorgente luminosa (di solito un laser) viene brillato su una superficie diffusamente che riflette (come una parete o uno schermo).
2. Scattering: La luce spargi da questa superficie. Parte di questa luce sparsa raggiungerà l'oggetto nascosto.
3. Più scattering: La luce rimbalza sull'oggetto nascosto e si sparge di nuovo dalla superficie visibile.
4. Rilevamento: Un rilevatore altamente sensibile (in genere un array di diodo a valanghe (SPAD) o un sensore risolto a tempo simile) cattura la luce debole che alla fine ritorna dalla superficie visibile.
5. Calcolo: La chiave è che il * tempo di volo * dei fotoni (il tempo impiegato dalla luce per viaggiare dal laser all'oggetto nascosto e di nuovo al rivelatore) viene misurato con precisione estremamente elevata. Analizzando queste misurazioni del tempo di volo e conoscendo la geometria dell'installazione, gli algoritmi possono ricostruire la forma e la posizione dell'oggetto nascosto. È qui che entra in gioco la parte "mentale":le informazioni sull'oggetto nascosto sono codificate nelle sottili variazioni nei tempi di arrivo dei fotoni sparsi.
Dimostrazione semplificata (questa è più una prova di concetto che un vero sistema di imaging NLOS):
Questa versione semplificata utilizza una tecnologia più accessibile e si concentra sulla comprensione dei principi piuttosto che per raggiungere l'imaging ad alta risoluzione. È più una dimostrazione di ricerca di gamma.
Componenti:
* Diodo laser pulsato: Un laser a impulso corto (ad es. Un diodo laser con una larghezza di impulso di pochi nanosecondi). La sicurezza è * fondamentale * quando si lavora con i laser. Utilizzare una protezione per gli occhi appropriata progettata per la lunghezza d'onda specifica del laser. La potenza inferiore è generalmente più sicura.
* Fotodiodo veloce o tubo fotomultiplicatore (PMT): Un sensore che può rilevare rapidamente impulsi di luce. I fotodiodi sono più convenienti ma i PMT sono più sensibili. È necessario un oscilloscopio veloce per vedere l'output.
* Oscilloscopio: Un oscilloscopio veloce (larghezza di banda nella gamma GHZ) per visualizzare il tempo di volo degli impulsi laser.
* Surface che riflette diffusamente: Una parete bianca o uno schermo realizzato con materiale bianco opaco.
* Oggetto nascosto: Un oggetto semplice e ben definito con una superficie riflettente (ad esempio uno specchio).
* Lens collocazione: Per focalizzare il raggio laser.
* Dark Room: Ridurre al minimo la luce ambientale per risultati migliori.
* Alimentatori: Per il laser e il rivelatore.
* Connettori e cavi: I cavi BNC sono comunemente usati per collegare il sensore e il laser all'oscilloscopio.
Setup sperimentale:
1. Layout: Imposta la superficie diffusamente riflettente (parete/schermo). Posizionare l'oggetto nascosto dietro una barriera, in modo che non sia direttamente visibile dal laser e dal rivelatore.
2. Allineamento laser: Punta il laser pulsato sulla superficie diffusamente riflessiva. Regola il raggio laser in modo che la luce sparsa possa raggiungere l'oggetto nascosto.
3. Posizionamento del rilevatore: Posizionare il fotodiodo (o PMT) per catturare la luce sparsa proveniente dalla superficie che riflette diffusamente. Dovrebbe essere posizionato per ricevere luce che * potrebbe * essere rimbalzato dall'oggetto nascosto.
4. Connettiti all'oscilloscopio: Collegare l'output del trigger laser (se disponibile) e l'output del fotodiodo all'oscilloscopio.
5. Accensione: Accendi il laser e il rivelatore.
Procedura:
1. Misurazione di sfondo: Con l'oggetto nascosto in posizione, registrare il segnale sull'oscilloscopio. Questo sarà il "segnale" contenente i riflessi dal muro * e * potenzialmente dall'oggetto nascosto. Vedrai principalmente un grande picco corrispondente al riflesso diretto dalla superficie visibile.
2. Misurazione di base: Rimuovere completamente l'oggetto nascosto. Registra nuovamente il segnale sull'oscilloscopio. Questo è il segnale di base:la riflessione dal muro senza alcun contributo dell'oggetto nascosto.
3. Analisi: Confronta i due segnali. Cerca un * lieve * aumento * del ritardo nel tempo della registrazione "segnale" (con l'oggetto nascosto). Questo ritardo, sebbene molto piccolo, rappresenta la distanza extra che la luce ha viaggiato verso l'oggetto nascosto e la schiena. Apparirà come una leggera "spalla" o distorsione sulla coda dell'impulso principale. Più piccolo è l'oggetto e più lontano è, più è difficile rilevare. Il cambiamento nel segnale sarà probabilmente molto sottile.
4. Calcoli: Usando la velocità della luce e la differenza di tempo misurata (dall'oscilloscopio), è possibile calcolare la distanza aggiuntiva percorsa. Conoscendo la distanza dal laser alla superficie visibile, è possibile stimare la distanza dall'oggetto nascosto.
5. Scansione: Per creare una "immagine" di base è possibile spostare sistematicamente il punto laser sulla parete (scansionare la superficie), registrando il tempo di volo in ciascun punto. Ciò ti consentirebbe di creare una nuvola di punti. Questo processo richiederebbe molto tempo e darebbe solo una risoluzione molto bassa.
Sfide e limitazioni:
* Segnale debole: La luce sparsa è molto debole, rendendo difficile il rilevamento. Hai bisogno di un rilevatore altamente sensibile e di un ambiente a basso rumore.
* Accuratezza del tempo: Il tempismo estremamente preciso è essenziale. Un oscilloscopio ad alta larghezza di banda è cruciale.
* Complessità di scattering: Il processo di scattering è complesso e difficile da modellare accuratamente.
* Potenza computazionale: La ricostruzione di un'immagine completa richiede risorse computazionali significative e algoritmi avanzati.
* Applicazioni del mondo reale: È improbabile che questa configurazione semplificata sia utile per applicazioni pratiche del mondo reale.
andando oltre (per hobbisti e ricercatori avanzati):
* Array Spad: Gli array di diodo a valanga a fotoni singolo (SPAD) sono lo standard per l'imaging NLOS. Questi sono costosi ma consentono un rapporto segnale-rumore molto migliore e un'acquisizione più rapida.
* Algoritmi avanzati: Esplora algoritmi come proiezione back, deconvoluzione e proiezione posteriore filtrata utilizzate nell'imaging NLOS. Le biblioteche come OpenCV possono essere utili.
* Simulazioni: Usa il software Ray-Tracing per simulare il processo di scattering della luce e ottimizzare l'installazione.
* Illuminazione strutturata: Invece di un semplice laser a punti, considera l'uso di schemi di illuminazione strutturati per migliorare la ricostruzione.
Precauzioni di sicurezza:
* Sicurezza laser: * Sempre* indossano gli occhiali di sicurezza laser appropriati che sono classificati per la lunghezza d'onda specifica del laser. Non guardare mai direttamente nel raggio laser o nei suoi riflessi.
* Alta tensione: Se si utilizza un PMT, richiede un alimentatore ad alta tensione. Fai molta attenzione quando si lavora con l'alta tensione. Controllare due connessioni prima di accendere l'alimentazione.
Considerazioni importanti:
* Non aspettarti di costruire un dispositivo "muro di trasmissione". " Questa configurazione semplificata è a fini educativi e per dimostrare i principi dell'imaging NLOS.
* Questo è un progetto impegnativo. Richiede pazienza, capacità tecniche e accesso ad attrezzature specializzate.
* Avvia in piccolo e costruisci. Concentrati sulla comprensione dei principi di base prima di tentare esperimenti più complessi.
In conclusione, mentre una "lente strabiliante che può vedere dietro gli oggetti" è una semplificazione eccessiva, i principi dell'imaging non di vista non sono affascinanti e offrono uno sguardo alle possibilità di manipolare la luce per rivelare informazioni nascoste. Questo progetto, anche in una forma semplificata, può offrire una preziosa esperienza di apprendimento in ottica, elettronica ed elaborazione del segnale. Ricorda di dare la priorità alla sicurezza e avvicinarsi a questo progetto con aspettative realistiche.