Cientistas criam ferramenta que “vê” ambientes ocultos em detalhes

Tecnologia criada por pesquisadores dos EUA e da Espanha tem várias aplicações, como socorro em casos de desastres e exploração de cavernas em outros planetas

Exemplo de imagem obtida pela tecnologia desenvolvida: visão bem mais detalhada. Foto: UW-Madison

A “visão de raio X” dos super-heróis é uma capacidade mais próxima da realidade a partir de uma pesquisa das universidades de Wisconsin–Madison (EUA) e Zaragoza (Espanha) publicada em 5 de agosto na revista “Nature”, informa a instituição americana. Aproveitando lições da ótica clássica, os cientistas mostraram que é possível visualizar cenas ocultas complexas por meio de uma “câmera virtual” projetada para ver além das barreiras.

Uma vez aperfeiçoada, a tecnologia descrita poderá ter várias aplicações, desde defesa e socorro em casos de desastres até manufatura e imagens para uso em medicina. O trabalho foi financiado em grande parte pelos militares, por meio da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada (Darpa) do Departamento de Defesa dos EUA, e pela Nasa. A agência espacial americana prevê que a novidade poderá ser útil para investigar cavernas ocultas na Lua e em Marte.

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Sistemas para alcançar o que os cientistas chamam de “imagens sem linha de visão” estão em desenvolvimento há anos. No entanto, as os desafios técnicos os limitaram a imagens difusas de cenas simples. Os desafios que podem ser superados pela nova abordagem incluem imagens muito mais complexas de cenas ocultas, visualização em vários cantos e gravação de vídeo.

Segundo Andreas Velten, professor da Escola de Medicina e Saúde Pública da UW e principal autor do estudo, a ideia básica de imagens fora da linha de visão gira em torno do uso de luz refletida indireta, uma espécie de eco de luz, para capturar imagens de uma cena oculta. Fótons de milhares de pulsos de luz laser são refletidos de uma parede ou outra superfície para um ambiente obscurecido, e a luz refletida e difusa retorna, pelos sensores conectados, a uma câmera.

 

Reconstrução em 3D

Os fótons (partículas de luz) recapturados são então usados para reconstruir digitalmente a cena oculta em três dimensões. “Enviamos pulsos de luz para uma superfície e vemos a luz voltar e, a partir disso, podemos ver o que está na cena oculta”, explica Velten.

Trabalhos recentes de outros pesquisadores se concentraram em melhorar a qualidade da regeneração de cenas sob condições controladas, usando pequenos ambientes com um único objeto. O trabalho apresentado no novo estudo vai além de cenas simples e aborda as principais limitações à tecnologia existente nessa área.

Entre os obstáculos abordados estão qualidades variáveis de materiais das paredes e superfícies dos objetos ocultos, grandes variações de brilho de diferentes objetos, inter-reflexão complexa da luz entre objetos em um ambiente oculto e as enormes quantidades de dados sonoros usados para reconstruir cenas maiores.

Velten e seus colegas, entre eles matemática, da Universidade de Zaragoza, abordaram o problema aplicando a mesma matemática usada para interpretar imagens obtidas com sistemas convencionais de imagens de linha de visão. O novo método supera o uso de um único algoritmo de reconstrução e descreve uma nova classe de algoritmos de imagem que compartilham vantagens exclusivas.

 

Abordagem inovadora

Sistemas convencionais, observa Gutierrez, interpretam a luz difratada como ondas, que podem ser moldadas em imagens aplicando transformações matemáticas conhecidas às ondas de luz que se propagam através do sistema de imagens.

O desafio de visualizar uma cena oculta, diz Velten, começa a ser resolvido reformulando-se o problema de imagem sem linha de visão como um problema de difração de onda. A seguir, usando-se matemática bem conhecida, aproveitam-se outros sistemas de imagem para interpretar as ondas e reconstruir uma imagem de uma cena oculta. Ao fazer isso, o novo método transforma qualquer parede difusa em uma câmera virtual.

“O que fizemos foi expressar o problema usando ondas”, diz Velten. “Os sistemas têm a mesma matemática subjacente, mas descobrimos que nossa reconstrução é surpreendentemente robusta, mesmo usando dados realmente ruins. Você pode fazer isso com menos fótons.”

Usando a nova abordagem, a equipe de Velten mostrou que cenas ocultas podem ser visualizadas mesmo considerando-se fatores como as diferenças nos materiais refletores, a luz ambiente dispersa e várias profundidades de campo para os objetos presentes no local.