Sử dụng Lidar, các nhà khoa học chụp được ảnh 3D từ khoảng cách 45km

Chụp ảnh từ xa trên Trái Đất luôn là một thách thức khó khăn. Thu được đủ ánh sáng từ một đối tượng ở khoảng cách cực lớn là điều không dễ. Ngay cả khi có thể làm được như vậy, bầu khí quyển với đầy các biến dạng có thể dễ dàng phá hỏng bức hình, đặc biệt là với tình trạng ô nhiễm trong các đô thị. Điều đó khiến việc ghi lại hình ảnh từ khoảng cách một vài kilomet – ngay cả khi camera được đặt đủ cao để vượt ra khỏi độ cong bề mặt trái đất – cũng trở nên rất khó khăn.

Nhưng trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu khai thác những bộ dò sóng nhậy sáng để làm việc này trở nên khả thi hơn. Các bộ dò sóng này nhậy đến mức chúng có thể thu được các photon đơn lẻ và sử dụng chúng để ghép thành các hình ảnh của vật thể từ khoảng cách xa đến 10km.

Các nhà khoa học còn muốn cải thiện điều đó lên một tầm cao hơn nữa. Hôm qua, Zheng Ping Li và các đồng nghiệp tại trường Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc tại Thượng Hải đã trình diễn hệ thống camera mới của họ, có khả năng chụp ảnh vật thể từ khoảng cách xa đến 45km trong điều kiện khói bụi của môi trường đô thị.

Hình ảnh thực tế và hình ảnh 3D về nóc tòa nhà thu được ở khoảng cách 21km khi chụp ban ngày.

Kỹ thuật của họ sử dụng các bộ dò đơn photon kết hợp với giải thuật hình ảnh điện toán độc đáo để ghép các điểm dữ liệu rải rác lại thành những bức ảnh có độ phân giải siêu cao.

Nguyên lý của hệ thống chụp ảnh mới

Về mặt nguyên lý, kỹ thuật mới này tương đối đơn giản. Nó dựa trên cảm biến laser tầm xa và bộ dò sóng, hay còn gọi là Lidar – nó hoạt động bằng cách chiếu sáng vật thể bằng ánh sáng laser và sau đó thu lại ánh sáng phản hồi về để tạo nên hình ảnh.

Ưu thế lớn của phương pháp chụp ảnh này là hình ảnh được tạo nên bằng các photon phản xạ từ đối tượng về bộ dò sóng trong một khoảng thời gian cụ thể tùy thuộc vào khoảng cách đến vật thể. Vì vậy, bất kỳ photon nào đến từ bên ngoài khung thời gian này sẽ bị bỏ qua, giảm được đáng kể các nhiễu hình ảnh do những photon không mong muốn gây ra.

Để hệ thống mới hoạt động tốt hơn trong môi trường đô thị, Zheng-Ping và các đồng nghiệp sử dụng một laser hồng ngoại với bước sóng dài 1.550 nm, tương đương với tần số 100 kHz và một nguồn cấp điện nhỏ 120 mW. Bước sóng này an toàn với mắt người và cho phép nhóm có thể lọc bỏ các photon từ ánh sáng mặt trời khi chúng chiếu vào bộ dò sóng.

Các nhà nghiên cứu gửi và nhận các photon này với cùng bộ dụng cụ quang học – một kính thiên văn thông thường với độ mở 280 mm. Các photon phản xạ lại sau đó được dò và thu lại bằng một bộ dò đơn photon thương mại. Để tạo nên hình ảnh của toàn bộ vật thể, các nhà khoa học dùng một chiếc gương điều khiển bằng động cơ piezo, có thể lật lên, lật xuống và nghiêng sang hai bên để quét trường nhìn thấy của vật thể.

Bằng cách này họ đã tạo nên một hình ảnh 2 chiều. Nhưng khi thay đổi thời gian ánh sáng đi tới bộ dò sóng, họ có thể thu được các photon phản xạ về từ các khoảng cách khác nhau để tạo nên một hình ảnh 3D.

Để tạo nên kết quả cuối cùng, nhóm đã phát triển một thuật toán để ghép mỗi dữ liệu đơn photon đó lại với nhau để thành một hình ảnh duy nhất. Kỹ thuật dựng hình điện toán này đã đạt được các tiến bộ nhẩy vọt trong những năm gần đây, cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra hình ảnh từ những bộ dữ liệu tương đối nhỏ.

Thành quả của các nhà nghiên cứu

Hình ảnh chụp dưới đây nói lên nỗ lực của các nhà nghiên cứu. Nhóm nghiên cứu thiết lập hệ thống camera mới trên tầng 20 của một tòa nhà ở đảo Chongming, Thượng Hải và hướng nó về Tòa nhà Pudong Civil Aviation ở bên kia con sông, cách đó 45km.

Ngoài cùng bên trái là hình ảnh chụp bằng kính viễn vọng thông thường từ khoảng cách 45km, còn dưới cùng bên phải là hình ảnh 3D chụp bằng kỹ thuật mới.

Nếu chụp bằng phương pháp truyền thống, các hình ảnh thu về qua kính thiên văn sẽ trở nên quá nhòe và nhiễu. Nhưng với kỹ thuật chụp ảnh mới, từ khoảng cách 45km, các hình ảnh tạo ra cho phép phân biệt được hai vật thể cách nhau 1m, còn với khoảng cách 21km, độ nhiễu xạ sẽ giảm xuống chỉ còn 60cm, tương đương với kích thước cửa sổ của tòa nhà văn phòng.

Không chỉ tốt hơn vượt trội so với phương pháp chụp thông thường, kỹ thuật mới của nhóm nghiên cứu cũng cho ra kết quả tốt hơn các thuật toán được phát triển trong thời gian gần đây. "Kết quả này cho thấy khả năng vượt trội của hệ thống LIDAR đơn photon cận hồng ngoại để ghi lại những đối tượng xuyên qua lớp sương mù." Nhóm nghiên cứu cho biết.

Hình ảnh chụp lại từ khoảng cách 21km

Ông Zheng-Ping và các đồng nghiệp cho biết thêm: "Kết quả của chúng tôi mở ra một hướng đi mới cho việc chụp ảnh 3D độ phân giải cao, nhanh hơn và tiêu thụ ít năng lượng từ các khoảng cách vô cùng xa."

Nhóm nghiên cứu này cho biết hệ thống còn có khả năng cải thiện cao hơn nữa. "Bằng cách tinh chỉnh lại thiết lập, hệ thống của chúng tôi còn có thể chụp ảnh từ khoảng cách vài trăm kilomet và vì vậy, nó đại diện cho một cột mốc quan trọng hướng tới một hệ thống chụp ảnh bằng LIDAR độ phân giải cao, tốc độ xử lý nhanh và tiêu thụ năng lượng thấp với khoảng cách xa."

Công trình nghiên cứu này cũng mở ra hàng loạt ứng dụng. Nhóm nghiên cứu đề cập đến các ứng dụng như cảm biến từ xa, giám sát từ trên không, nhận diện và xác định đối tượng. Trên thực tế, toàn bộ hệ thống camera này chỉ có kích cỡ bằng một hộp đựng giày cỡ lớn và vì vậy tương đối dễ mang vác, di chuyển.

Tham khảo TechnologyReview