Här är en uppdelning av hur NLOS-avbildning fungerar och hur du potentiellt kan bygga en förenklad version (även om ett verkligt högupplöst system kräver sofistikerad utrustning utanför räckvidden för de flesta hobbyister):
How Non-Line-of-Sight (NLOS) Imaging fungerar:
1. Illumination: En ljuskälla (vanligtvis en laser) skenas på en diffust reflekterande yta (som en vägg eller skärm).
2. spridning: Ljuset sprids från denna yta. En del av detta spridda ljus kommer att nå det dolda objektet.
3. Mer spridning: Ljuset studsar från det dolda föremålet och sprids igen från den synliga ytan.
4. detektion: En mycket känslig detektor (vanligtvis en en-foton lavin Diode (SPAD) array eller en liknande tidsupplöst sensor) fångar det svaga ljuset som så småningom återgår från den synliga ytan.
5. Beräkning: Nyckeln är att * tidens flygning * för fotonerna (den tid det tar för ljuset att resa från lasern till det dolda objektet och tillbaka till detektorn) mäts med extremt hög precision. Genom att analysera dessa tid-av-flight-mätningar och känna till inställningsgeometri kan algoritmer rekonstruera formen och platsen för det dolda objektet. Det är här den "sinnesböjande" delen kommer in - informationen om det dolda objektet kodas i de subtila variationerna i ankomsttiderna för de spridda fotonerna.
Förenklad demonstration (detta är mer ett bevis-of-concept än ett verkligt NLOS-avbildningssystem):
Denna förenklade version använder mer tillgänglig teknik och fokuserar på att förstå principerna snarare än att uppnå högupplöst avbildning. Det är mer en avståndsmässig demonstration.
komponenter:
* pulserad laserdiod: En kortpulslaser (t.ex. en laserdiod med en pulsbredd på några nanosekunder). Säkerhet är * Paramount * när du arbetar med lasrar. Använd lämpligt ögonskydd utformat för laserens specifika våglängd. Lägre kraft är i allmänhet säkrare.
* Snabb fotodiode eller fotomultiplierrör (PMT): En sensor som snabbt kan upptäcka ljuspulser. Fotodioder är mer överkomliga men PMT:er är mer känsliga. Ett snabbt oscilloskop är nödvändigt för att se utgången.
* oscilloskop: Ett snabbt oscilloskop (bandbredd i GHz -området) för att visualisera laserpulsens tid.
* Diffus reflekterande yta: En vit vägg eller en skärm gjord av ett matt vitt material.
* Hidden Object: Ett enkelt, väl definierat objekt med en reflekterande yta (t.ex. en spegel).
* kollimerande lins: Att fokusera laserstrålen.
* mörkt rum: Minimera omgivande ljus för bättre resultat.
* Strömförsörjning: För laser och detektor.
* Kontakter och kablar: BNC -kablar används ofta för att ansluta sensorn och lasern till oscilloskopet.
Experimentell installation:
1. Layout: Ställ in den diffus reflekterande ytan (vägg/skärm). Placera det dolda objektet bakom en barriär, så det är inte direkt synligt från lasern och detektorn.
2. laserjustering: Sikta den pulserade lasern vid den diffustre reflekterande ytan. Justera laserstrålen så att det spridda ljuset kan nå det dolda objektet.
3. detektorplacering: Placera fotodioden (eller PMT) för att fånga det spridda ljuset som kommer från den diffust reflekterande ytan. Det bör placeras för att få ljus som * kan * ha hoppat av det dolda objektet.
4. Anslut till oscilloskop: Anslut laserutlösarutgången (om tillgänglig) och fotodioduppgången till oscilloskopet.
5. Power Up: Slå på lasern och detektorn.
Förfarande:
1. Bakgrundsmätning: Med det dolda objektet på plats, registrera signalen på oscilloskopet. Detta kommer att vara "signalen" som innehåller reflektionerna från väggen * och * potentiellt från det dolda objektet. Du ser främst en stor topp som motsvarar den direkta reflektionen från den synliga ytan.
2. baslinjemätning: Ta bort det dolda objektet helt. Spela in signalen på oscilloskopet igen. Detta är baslinjesignalen - reflektionen från väggen utan något bidrag från det dolda objektet.
3. Analys: Jämför de två signalerna. Leta efter en * mycket liten * ökning av tid-of-flight-förseningen i "Signal" -inspelningen (med det dolda objektet). Denna försening, även om den är mycket liten, representerar det extra avståndet som ljuset reste till det dolda objektet och tillbaka. Det kommer att visas som en liten "axel" eller snedvridning på svansen på huvudpulsen. Ju mindre objekt och ju längre bort det är, desto svårare blir det att upptäcka. Förändringen i signalen kommer sannolikt att vara mycket subtil.
4. Beräkningar: Med hjälp av ljusets hastighet och den uppmätta tidsskillnaden (från oscilloskopet) kan du beräkna det extra avståndet som körs. Genom att känna till avståndet från lasern till den synliga ytan kan du uppskatta avståndet till det dolda objektet.
5. skanning: För att skapa en grundläggande "bild" kan du flytta laserpunkten på väggen systematiskt (skanna ytan) och spela in flygtiden vid varje punkt. Detta skulle göra det möjligt för dig att bygga upp ett poängmoln. Denna process skulle vara tidskrävande och bara ge mycket låg upplösning.
Utmaningar och begränsningar:
* Svag signal: Det spridda ljuset är mycket svagt, vilket gör detekteringen svår. Du behöver en mycket känslig detektor och en miljö med låg brus.
* Timingnoggrannhet: Extremt exakt timing är avgörande. Ett oscilloskop med hög bandbredd är avgörande.
* spridningskomplexitet: Spridningsprocessen är komplex och svår att modellera exakt.
* Beräkningskraft: Att rekonstruera en fullständig bild kräver betydande beräkningsresurser och avancerade algoritmer.
* verkliga applikationer: Det är troligt att denna förenklade installation kommer att vara användbar för praktiska verkliga applikationer.
Går vidare (för avancerade hobbyister och forskare):
* spad arrays: Enfoton lavin Diode (SPAD) -uppsättningar är standarden för NLOS-avbildning. Dessa är dyra men möjliggör mycket bättre signal-till-brusförhållande och snabbare förvärv.
* Avancerade algoritmer: Utforska algoritmer som back-projekt, dekonvolution och filtrerad back-projekt som används i NLOS-avbildning. Bibliotek som OpenCV kan vara till hjälp.
* simuleringar: Använd Ray-Tracing-programvara för att simulera ljusspridningsprocessen och optimera din installation.
* Strukturerad belysning: Istället för en enkel punktlaser, kan du överväga att använda strukturerade belysningsmönster för att förbättra rekonstruktionen.
Säkerhetsåtgärder:
* lasersäkerhet: * Bär alltid lämpliga lasersäkerhetsglasögon som är klassade för den specifika våglängden för din laser. Titta aldrig direkt in i laserstrålen eller dess reflektioner.
* högspänning: Om du använder en PMT kräver det en högspänning strömförsörjning. Var extremt försiktig när du arbetar med högspänning. Kontrollera alla anslutningar innan du slår på strömförsörjningen.
Viktiga överväganden:
* Förvänta dig inte att bygga en "seugh-walls" -enhet. " Denna förenklade installation är för utbildningsändamål och för att visa principerna för NLOS -avbildning.
* Detta är ett utmanande projekt. Det kräver tålamod, tekniska färdigheter och tillgång till specialiserad utrustning.
* Starta små och bygg upp. Fokusera på att förstå de grundläggande principerna innan du försöker mer komplexa experiment.
Sammanfattningsvis, medan en "sinnesböjande lins som kan se bakom föremål" är en överförenkling, är principerna för icke-line-of-sight-avbildning fascinerande och ger en inblick i möjligheterna att manipulera ljus för att avslöja dold information. Detta projekt, även i en förenklad form, kan ge en värdefull inlärningsupplevelse inom optik, elektronik och signalbehandling. Kom ihåg att prioritera säkerheten och närma sig detta projekt med realistiska förväntningar.