Num novo artigo publicado no IEEE Access, os membros do grupo Camera Culture apresentam uma abordagem inovadora para imagens de tempo de voo que aumenta a sua resolução de profundidade em 1.000 vezes. Este é o tipo de resolução que poderá tornar os veículos autónomos viáveis.
A nova abordagem também poderá permitir medições de distância precisas através do nevoeiro, que se revelou um grande obstáculo ao desenvolvimento de carros autónomos.
A uma distância de 2 metros, os sistemas de tempo de voo existentes têm uma resolução de profundidade de cerca de um centímetro. Isto é suficiente para os sistemas de estacionamento assistido e deteção de colisões nos automóveis atuais.
Mas, como explica Achuta Kadambi, doutorando em engenharia elétrica e de computação e artes e ciências dos media: "À medida que o alcance aumenta, a resolução diminui exponencialmente. Digamos que tem um cenário de longo alcance e quer que o seu veículo detete um objeto mais distante para que possa tomar uma decisão rápida de atualização. Pode ter começado com 1 centímetro, mas agora está de volta a uma resolução de 0,3 m ou mesmo 1,5 m. E se cometer um erro, pode perder a vida.".
Em contraste, a distâncias de 2 metros, o sistema dos investigadores do MIT apresenta uma resolução em profundidade de 3 micrómetros. Kadambi também realizou testes nos quais enviou um sinal de luz através de 500 metros de fibra ótica com filtros regularmente espaçados ao longo do seu comprimento para simular a queda de energia a distâncias maiores antes de o alimentar no seu sistema. Estes testes sugerem que, a uma distância de 500 metros, o sistema do MIT ainda tem de atingir uma resolução de profundidade de apenas um centímetro.
Kadambi juntou-se à equipa através do seu orientador de tese, Ramesh Raskar, professor associado de artes e ciências dos media e chefe do grupo Camera Culture.

Câmara Lenta:
Na técnica de imagem por tempo de voo, um pequeno pulso de luz é disparado em direção a uma cena, e uma câmara mede o tempo que demora a regressar, indicando a distância do objeto que o refletiu. Quanto mais tempo o impulso de luz demorar a regressar, mais ambígua se torna a medição da distância percorrida. Assim sendo, a duração do impulso de luz é um dos fatores que determinam a resolução do sistema.
O outro fator, no entanto, é a taxa de deteção. Os moduladores, que ligam e desligam um feixe de luz, podem realizar milhares de milhões de medições por segundo, mas os detetores atuais apenas conseguem fazer cerca de 100 milhões de medições por segundo. A taxa de deteção é o que limita os sistemas de tempo de voo existentes a uma resolução à escala dos centímetros.
No entanto, existe outra técnica de imagem que permite uma maior resolução, afirma Kadambi. Esta técnica é a interferometria, na qual um feixe de luz é dividido em dois, sendo uma metade mantida em circulação local e a outra metade, o "feixe de amostra", disparada em direção a uma cena visual. O feixe de amostra refletido recombina-se com a luz que circula localmente, e a diferença de fase entre os dois feixes — o alinhamento relativo dos vales e das cristas das suas ondas eletromagnéticas — fornece uma medida muito precisa da distância percorrida pelo feixe de amostra.
Mas a interferometria requer uma sincronização cuidadosa dos dois feixes de luz. "Nunca se pode instalar um interferómetro num carro porque é muito sensível às vibrações", diz Kadambi. "Estamos a usar algumas ideias da interferometria e algumas ideias do LiDAR, e estamos a combinar as duas aqui."

acústica
, explica. Qualquer pessoa que já tenha tocado num conjunto musical está familiarizada com o fenómeno do "ritmo". Se dois cantores, por exemplo, estiverem ligeiramente desafinados — um produzindo um tom de 440 hertz e o outro de 437 hertz — a interacção das suas vozes produzirá outro tom, cuja frequência é a diferença entre as notas que estão a cantar, neste caso, 3 hertz.
O mesmo acontece com os pulsos de luz. Se um sistema de imagem por tempo de voo iluminar uma cena a uma taxa de mil milhões de impulsos por segundo, e a luz refletida for combinada com um impulso de luz 999.999.999 vezes por segundo, o resultado será um sinal de luz que pisca uma vez por segundo, uma taxa facilmente detetável com uma câmara de vídeo comercial. E este "ritmo" lento conterá toda a informação de fase necessária para medir a distância.
Mas, em vez de tentarem sincronizar dois sinais de luz de alta frequência, como fazem os sistemas de interferometria, Kadambi e Raskar simplesmente modulam o sinal de retorno, utilizando a mesma tecnologia que o produziu inicialmente. Ou seja, pulsam a luz já pulsada. O resultado é o mesmo, mas a abordagem é muito mais prática para os sistemas automóveis.
"A fusão da coerência óptica com a coerência electrónica é única", diz Raskar. "Estamos a modular a luz em alguns gigahertz, por isso é como ligar e desligar uma lanterna milhões de vezes por segundo. Mas estamos a alterá-la eletronicamente, não opticamente. A combinação das duas é o que dá potência a este sistema."

Escrito por Larry Hardesty, MIT Press Office

Outras referências

ARTIGO: Repensando o tempo de voo em visão computacional com heterodinação em GHz
http://web.media.mit.edu/~achoo/beat/Kadambi_beat_lowres.pdf
ARQUIVO: Julgando um livro pela capa
http://news.mit.edu/2016/computational-imaging-method-reads-closed-books-0909
ARQUIVO: Melhorando a imagem 3D em 1.000 vezes
http://news.mit.edu/2015/algorithms-boost-3-d-imaging-resolution-1000-times-1201
ARQUIVO: 'Nanocâmara' barata pode operar à velocidade da luz
http://news.mit.edu/2013/inexpensive-nano-camera-1126