ПОДХОД К ПОЛУЧЕНИЮ ИЗОБРАЖЕНИЙ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ НЕПРЯМОЙ ЛАЗЕРНОЙ ЛОКАЦИИ

Григорьев А.Н., Алтухов А.И., Коршунов Д.С. Подход к получению изображений объектов на основе данных непрямой лазерной локации // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 1. С. 31–39. doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-1-31-39

Предмет исследования. Предложен подход к получению изображений объектов на основе данных непрямой лазерной локации. Разработана концепция регистрации и обработки фотометрических данных об объекте, подразумевающая совместное использование оптического квантового генератора и камеры с фотоприемным устройством на основе однофотонных лавинных диодов. Регистрация рассеянного объектом оптического излучения выполняется при условии размещения объекта вне прямой видимости зондирующей аппаратуры, например, за светонепроницаемым препятствием. Обработка фотометрических данных направлена на моделирование формы объекта. Методы. Ведение непрямой лазерной локации подразумевает облучение объекта серией световых импульсов и последующую регистрацию рассеянного оптического излучения. Так как объект расположен вне прямой видимости зондирующей аппаратуры, световые импульсы распространяются от оптического квантового генератора до поверхности, переотражающей указанные импульсы в направлении исследуемого объекта. Фотометрические данные формируются в результате регистрации рассеянного объектом оптического излучения, распространяющегося в обратном направлении. Вертикальная и горизонтальная развертки изображения обеспечиваются перемещением лазерного луча во время сканирования пространства. Изображение объекта формируется в результате выполнения ряда последовательных операций по выделению из состава рассеянного оптического излучения фотометрических данных об объекте, расчета значений яркости и определения положений вокселей растра в пространстве прямоугольной системы координат. Основные результаты. Разработана концептуальная модель непрямой лазерной локации на основе: импульсного лазера; сканирующей и фокусирующей оптических систем; камеры для регистрации рассеянного оптического излучения; устройства синхронизации времени генерации и регистрации световых импульсов. Предложен подход к обработке данных непрямой лазерной локации, обеспечивающий получение трехмерных изображений объектов. Приведены результаты эксперимента по формированию изображения объекта на основе открытых материалов лазерной локации. Практическая значимость. Использование комплекса непрямой лазерной локации позволяет получить изображения объектов в условиях отсутствия прямого зрительного контакта. Результаты эксперимента по формированию изображения показывают, что при размещении объекта за светонепроницаемым препятствием возможно получить достоверное представление о его структуре и форме. Изображение, полученное в соответствии с предложенным подходом, характеризуется высоким графическим подобием и является источником информации об объектах, доступ к которым затруднителен.

1. Heide F., Diamond S., Lindell D.B., Wetzstein G. Sub-picosecond photon-efficient 3D imaging using single-photon sensors // Scientific Reports. 2018. V. 8. P. 17726. doi: 10.1038/s41598-018-35212-x

2. McCarthy A., Krichel N., Gemmell N., Ren X., Tanner M., Dorenbos S., Zwiller V., Hadfield R., Buller G. Kilometer-range, high resolution depth imaging via 1560 nm wavelength single-photon detection // Optics Express. 2013. V. 21. N 7. P. 8904–8915. doi: 10.1364/OE.21.008904

3. Pawlikowska A., Halimi A., Lamb R., Buller G. Single-photon three- dimensional imaging at up to 10 kilometers range // Optics Express. 2017. V. 25. N 10. P. 11919–11931. doi: 10.1364/OE.25.011919

4. Shin D., Kirmani A., Goyal V.K., Shapiro J.H. Photon-efficient computational 3-D and reflectivity imaging with single-photon detectors // IEEE Transactions on Computational Imaging. 2015. V. 1. N 2. P. 112–125. doi: 10.1109/TCI.2015.2453093

5. Warburton R., Aniculaesei C., Clerici M., Altmann Y., Gariepy G., McCracken R., Reid D., McLaughlin S., Petrovich M., Hayes J., Henderson R., Faccio D., Leach J. Observation of laser pulse propagation in optical fibers with a SPAD camera // Scientific Reports. 2017. V. 7. P. 43302. doi: 10.1038/srep43302

6. Gariepy G., Krstajić N., Henderson R., Li C., Thomson R.R., Buller G.S., Heshmat B., Raskar R., Leach J., Faccio D. Single- photon sensitive light-in-fight imaging // Nature Communications. 2015. V. 6. P. 6021.

doi: 10.1038/ncomms7021

7. Gariepy G., Tonolini F., Henderson R., Leach J., Faccio D. Detection and tracking of moving objects hidden from view // Nature Photonics. 2016. V. 10. P. 23–26. doi: 10.1038/nphoton.2015.234

8. Chen Z., Liu B., Guo G. Adaptive single photon detection under fluctuating background noise // Optics Express. 2020. V. 28. N 20. P. 30199–30209. doi: 10.1364/OE.404681

9. Korotaev V.V., Maraev A.A. Sources and detectors of optical radiation. St. Petersburg: ITMO University, 2017. 104 p.

10. Горбачёв А.А., Коротаев В.В., Ярышев С.Н. Твердотельные матричные фотопреобразователи и камеры на их основе. СПб.: НИУ ИТМО, 2013. 98 с.

11. Buttafava M., Zeman J., Tosi A., Eliceiri K., Velten A. Non-line-of- sight imaging using a time-gated single photon avalanche diode // Optics Express. 2015. V. 23. N 16. P. 20997–21011. doi: 10.1364/OE.23.020997

12. Красильников Н.Н. Цифровая обработка 2D и 3D изображений: учеб. пособие. СПб.: БХВ-Петербург, 2011. 608 с.

13. Алтухов А.И., Шабаков Е.И., Коршунов Д.С. Метод повышения контраста изображений в условиях съемки Земли из космоса // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. Т. 18. № 4. С. 573–580. doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-4-573-580

14. Vasilev A.S., Korotaev V.V. Research of the fusion methods of the multispectral optoelectronic systems images // Proceedings of SPIE. 2015. V. 9530. P. 953007. doi: 10.1117/12.2184554

15. Velten A., Willwacher T., Gupta O., Veeraraghavan A., Bawendi M.G., Raskar R. Recovering three-dimensional shape around a corner using ultrafast time-of-flight imaging // Nature Communications. 2012. V. 3. P. 745. doi: 10.1038/ncomms1747

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License