新的计算方法改善了飞行时间深度传感器的分辨率1,000倍

计算方法使飞行时间深度传感器的分辨率提高1000倍

将级联GHz方法与kinect风格方法进行了比较。从左到右,原始图像,一个kinect风格的方法,一个GHz方法,和一个更强的GHz方法。由研究人员提供

在过去的10年里,相机文化群体在麻省理工学院’s Media Lab has been developing innovative imaging systems — from a camera that can see around corners to one that can read text in closed books— by using “time of flight,” an approach that gauges distance by measuring the time it takes light projected into a scene to bounce back to a sensor.

在出现的新论文中IEEE访问,相机文化集团的成员提出了一种新的飞行时间成像方法,这些方法增加了它的深度分辨率1,000倍。这是可以使自动驾驶汽车实用的分辨率的类型。

新方法还可以通过雾来实现准确的距离测量,这已被证明是自行车开发的主要障碍。

在2米的范围内,现有的飞行时间系统的深度分辨率约为1厘米。这对于今天汽车上的辅助停车和碰撞探测系统来说已经足够好了。

但作为Achuta Kadambi,电气工程和计算机科学和媒体艺术和科学的联合博士学生和纸上的第一名作者,解释说:“当您增加范围时,您的分辨率呈指数级。让我们说你有一个远程场景,你希望你的车进一步检测对象,所以它可以做出快速的更新决定。你可能已经开始在1厘米,但现在你脚踏实于[分辨率]一英尺甚至5英尺。如果你弄错了,它可能会导致生命丧失。“

相比之下,麻省理工学院研究人员的系统在2米的距离上,深度分辨率为3微米。卡丹比还进行了一些测试,在将光信号输入他的系统之前,他通过500米长的光纤发送光信号,光纤上有固定间隔的滤波器,以模拟在更远的距离中产生的功率衰减。这些测试表明,在500米的范围内,麻省理工学院的系统仍然只能达到一厘米的深度分辨率。

卡丹比的论文由他的导师拉梅什·拉斯卡尔(Ramesh Raskar)撰写,拉梅什是媒体艺术与科学副教授,也是摄影文化集团的负责人。

缓慢的吸收

随着飞行时间成像,短爆发的光线被射入一个场景,并且相机测量返回所需的时间,这表示反映它的对象的距离。光爆裂越长,测量它的旅行多远。因此,光爆长度是确定系统分辨率的因素之一。

然而,另一个因素是检测率。调制器,关闭光束,可以切换十亿次,但今天的探测器只能制作大约1亿次测量。检测率是将现有的飞行时间系统限制为厘米级分辨率。

然而,存在另一个成像技术,即支持更高的分辨率,Kadambi说。该技术是干涉测量法,其中光束分成两个,并且在另一半 - “样本梁” - 被射入视觉场景中,一半的光束保持局部循环。反射的样品光束与局部循环的光重新组合,两个光束之间的相位差 - 其电磁波的槽和顶部的相对对准 - 产生样品光束行驶的距离的非常精确的测量值。

但干涉测量需要仔细同步两个光束。“你永远不能把干涉测量放在汽车上,因为它对振动如此敏感,”卡巴迪说。“我们正在使用来自干涉测量的一些想法和LIDAR的一些想法,我们真的结合了这两个。”


这是在2017年10月接受本文之前的演示文稿。我们使用过滤元素作为扩展现有路径长度成像系统的潜在方法的潜在方法来研究激光乐队。我们的目标类似于干涉和相干方法,但我们的目的是研究电子和光学相干的融合。

在节拍上

他们也在解释,使用声学的一些想法解释。任何在音乐集团演出的人都熟悉“殴打”的现象。If two singers, say, are slightly out of tune — one producing a pitch at 440 hertz and the other at 437 hertz — the interplay of their voices will produce another tone, whose frequency is the difference between those of the notes they’re singing — in this case, 3 hertz.

光脉冲也是如此。如果飞行时间成像系统在速度为亿次脉冲的速率下射入场景,并且返回光与光脉冲999999999倍的次数相结合,结果将是一秒钟的光信号脉冲- 用商品摄像机易于检测的速率。并且慢速“击败”将包含所需的所有相位信息来衡量距离。

但是,卡丹比和拉斯卡尔并没有像干涉测量系统必须的那样尝试同步两个高频光信号,而是简单地使用最初产生信号的相同技术对返回信号进行调制。也就是说,它们使已经脉冲的光产生脉冲。结果是一样的,但这种方法对汽车系统更实用。

“光学相干和电子相干的融合非常独特,”拉斯格尔说。“我们正在调制几个千兆的光线,所以它就像每秒数百万次打开手电筒一样。但我们正在以电子方式变化,而不是光学。两者的结合实际上是你得到这个系统的力量。“

在雾中

千兆赫光学系统自然比低频系统更能补偿雾。雾对飞行时间系统来说是个问题,因为它会散射光:它会使返回的光信号发生偏转,导致它们到达的时间晚了,角度也奇怪。试图从所有的噪音中分离出一个真正的信号,在飞行中进行计算太有挑战性了。

利用低频系统,散射导致相位略有换档,一个简单地弄乱到达检测器的信号。但是通过高频系统,相移相对于信号的频率要大得多。到达不同路径的散射光信号实际上会互相抵消:一个波的槽与另一波的槽对齐。威斯康星大学和威斯康星大学进行的理论分析哥伦比亚大学建议,这种取消将足以使识别真正的信号更容易。

“我对这种技术的医疗应用感到兴奋,”马萨诸塞综合医院和哈佛医学院的副教授,先进的X射线成像科学中心兼主任Rajiv Gupta。“我对这项工作的潜力留下了如此深刻的印象,以改变医学成像,我们将罕见的一步招募了一步,直接向我们部门的教师招募了一项继续这项工作。”

“我认为它是开发飞行时间技术的重要里程碑,因为它消除了群众部署的最严格的要求,包括使用飞行时间原则的光线,即[需要] a非常快速的相机,“他补充道。“Achuta和Ramesh的作品的美丽是,通过在两种不同频率的灯之间创造跳动,他们能够使用普通相机记录飞行时间。”

更多信息:使用击败笔记级联激光乐队

出版物:Achuta Kadambi&Ramesh Rashar,“Rethinking Machine View飞行时间与GHz自差,”IEEE,2017;DOI:10.1109 / Access.2017.2775138

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