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新たなる透視技術。雲や霧で隠されてしまった物体を透視するクレアボヤンス・デバイス(米研究)

カラパイア

霧や雲で隠れたものを透視できる技術
霧や雲で隠れたものを透視できる技術 image by:Stanford Computational Imaging Lab

 見えないものを透かして見る「透視」技術はいよいよ進んでいるようだ。これを使えば、透視能力を持つサイキックの気分が味わえるかもしれない。

 米スタンフォード大学の研究グループが開発したのは、X線を使わないX線のような装置だ。自動運転車が周囲の状況を認識するシステムをさらに進化させ、散乱されてしまった光の粒子の動きをアルゴリズムで解析。ここから背後の風景を3次元で再現する。

 雨や霧で視界が限られてしまった状況でも安全な自動運転を可能にしたり、分厚い雲におおわれている惑星表面の観察を可能にしたりする技術だ。

リモートセンシング技術の天敵は光の散乱


 今後の普及が期待される自動運転車などは、「ライダー(LiDAR)」と呼ばれるリモートセンシング技術で周囲の3次元環境を感知している。

 これはいわば電波を利用するレーダーを光に置き換えたような技術で、レーザーを照射し、反射して戻ってきた光を測定することで周囲の状況を検出する。

 しかしライダーには天敵のような物理現象がある。「散乱」だ。たとえば雲や霧、あるいは雨や塵のようなものが光をバラバラに乱してしまうと、反射された光をうまく検出できず、環境を認識できなくなってしまうのだ。

 医療用の撮像技術にとっても大敵で、生体組織が光を散乱させてしまうおかげで、たとえば神経細胞などを高解像度で撮影することが難しくなる。

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散乱プロセスをアルゴリズムでモデル化


 研究グループが開発した「共焦散乱断層撮影法(Confocal Diffuse Tomography/CDT)」は、「レーザー」、散乱をモデル化する「アルゴリズム」、命中したあらゆる光子を感知する「超高感度光子検出器」を組み合わせたシステムだ。

 たとえばポリウレタンフォームのような散乱性物質の板にレーザーを照射したとする。するとレーザーを構成する光の粒子(「光子」)は散乱されてしまうが、中には板によって経路を乱されながらも、そこを通り抜け、後ろにある物体に反射され、再び板を通過して戻ってくるものもある。

 こうしたごくわずかな光子を超高感度検出器でキャッチし、その散乱プロセスをアルゴリズムでモデル化。これを逆転することで背後にある隠された物体を3次元で再現する。

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厚さ2.5センチのポリウレタンフォーム越しにレーザーを照射。反射して戻ってきたわずかな光子をキャッチする
image credit:Stanford Computational Imaging Lab


 こうした散乱が生じる環境で物体を検出するシステムはこれまでにもあった。

 しかし従来のシステムでは、検出したい物体の距離をあらかじめ把握しておく必要があったり、スキャンできる距離が限られていたりした。また弾道光子(散乱場を通過しているが、実際には散乱されていない光子)にしか利用できないという問題点もあった。

 しかし新開発のCDTでは、そうした点は克服されている。しかもラップトップでアルゴリズムを走らせても、リアルタイムで隠れた部分を再現できてしまうほど効率性が高い。

 実験では厚さ2.5センチのポリウレタンフォームの背後にあるS字の物体を3次元で再現することに成功している。

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スキャン中の様子。ポリウレタンフォームで散乱されながらも無事に帰ってきたわずかな光子をキャッチし、その経路を逆算することで、背後のS字を再現
image credit:Stanford Computational Imaging Lab


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image by:Stanford Computational Imaging Lab

自動運転車や宇宙探査に


 CDTはたとえば自動運転車に応用することで、雨や霧の日であってもより安全な走行が実現できるようになる。

 また、将来的には宇宙探査の分野でも活躍が期待されるとのこと。分厚い大気に包まれて外からは地表が見えない惑星や衛星であっても、その下の様子を観察できるようになるのだそうだ。

この研究は『Nature Communications』(9月9日付)に掲載された。
Three-dimensional imaging through scattering media based on confocal diffuse tomography | Nature Communications
https://www.nature.com/articles/s41467-020-18346-3
References:stanford/ written by hiroching / edited by parumo

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