เทคนิคการถ่ายภาพเชิงคำนวณแบบใหม่ที่พัฒนาโดยนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยไรซ์และมหาวิทยาลัยแอริโซนาสามารถเปลี่ยนพื้นผิวด้านในชีวิตประจำวัน อย่างผนัง เฟอร์นิเจอร์ และเสื้อผ้า ให้กลายเป็นจอแสดงผลเสมือน ช่วยให้เครื่องจักรสร้างภาพสามมิติได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำเป็นพิเศษ ผลงานนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications และมุ่งแก้จุดอ่อนสำคัญของระบบการมองเห็นของเครื่องจักรในปัจจุบัน นั่นคือการไม่สามารถจับภาพสภาพแวดล้อมแบบไดนามิกที่มีทั้งวัตถุด้านและวัตถุสะท้อนแสงได้อย่างแม่นยำ ระบบนี้ใช้การฉายแสงเลเซอร์ไปยังพื้นผิวที่ไม่สะท้อนแสง พร้อมกับกล้องเหตุการณ์นิวโรมอร์ฟิกความเร็วสูงที่บันทึกการเปลี่ยนแปลงของความเข้มแสงแทนการจับภาพทั้งเฟรม ทำให้ประสิทธิภาพดีขึ้นอย่างมากในสภาพแสงที่ท้าทายและกับวัตถุที่เคลื่อนที่ ความก้าวหน้าครั้งนี้อาจยกระดับการประยุกต์ใช้ตั้งแต่การขับขี่อัตโนมัติ การตรวจสอบทางอุตสาหกรรม ไปจนถึงการจดจำใบหน้าและการตรวจจับมนุษย์
แนวทางใหม่แก้ปัญหาท้าทายด้านการมองเห็นของเครื่องจักร
ระบบถ่ายภาพสามมิติที่มีอยู่ส่วนใหญ่ใช้แสงที่มีโครงสร้าง (structured light) ซึ่งฉายลวดลายลงบนฉากและวัดว่าลวดลายเหล่านั้นบิดเบี้ยวไปตามพื้นผิวของวัตถุอย่างไรเพื่อสร้างแผนที่ความลึก แม้จะใช้กันอย่างแพร่หลาย แต่ระบบเหล่านี้มักล้มเหลวเมื่อเจอการเคลื่อนไหว แสงจ้า หรือฉากที่มีทั้งวัสดุด้านและวัสดุสะท้อนแสงปนกัน ในสภาพแวดล้อมแบบผสมนี้ แสงที่สะท้อนระหว่างพื้นผิวจะบิดเบือนค่าที่วัดได้และลดคุณภาพของภาพ วิธีการใหม่นี้เอาชนะอุปสรรคดังกล่าวด้วยการนำพื้นผิวที่เคยเป็นปัญหามาใช้ประโยชน์ นั่นคือผนังด้าน เสื้อผ้า และเฟอร์นิเจอร์ ให้กลายเป็นจอเสมือนที่สะท้อนจุดเลเซอร์ที่ฉายไปยังวัตถุที่มันวาว
การพลิกโฉมเทคนิคดีเฟลกโตเมทรี
Ashok Veeraraghavan หัวหน้าภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ที่ George R. Brown School of Engineering and Computing ของมหาวิทยาลัยไรซ์ อธิบายว่าทีมวิจัยใช้เทคนิคที่รู้จักกันดีในคอมพิวเตอร์วิชันที่เรียกว่าดีเฟลกโตเมทรี (deflectometry) ซึ่งวัดรูปร่างของพื้นผิวที่มันวาวโดยสังเกตว่าลวดลายแสงที่ฉายไปนั้นบิดเบี้ยวอย่างไรเมื่อสะท้อน โดยปกติแล้วดีเฟลกโตเมทรีต้องใช้จอขนาดใหญ่ที่จัดวางอย่างแม่นยำ ทำให้กระบวนการมีราคาแพงและขาดความยืดหยุ่น แต่ด้วยการฉายแสงเลเซอร์ไปยังพื้นผิวด้านที่มีอยู่แล้วในฉาก นักวิจัยจึงไม่ต้องใช้อุปกรณ์พิเศษอีกต่อไป ทำให้ห้องใดๆ ก็กลายเป็นสภาพแวดล้อมการถ่ายภาพที่ใช้งานได้จริง
ระบบทำงานอย่างไร: เลเซอร์และการตรวจจับแบบนิวโรมอร์ฟิก
กระบวนการถ่ายภาพดำเนินไปในสองขั้นตอน ขั้นแรก เลเซอร์จะสแกนพื้นผิวด้าน เช่น ผนัง เสื้อผ้า และเฟอร์นิเจอร์ เพื่อสร้างแผนที่สามมิติที่แม่นยำของพื้นผิวเหล่านั้น เมื่อจุดเลเซอร์สะท้อนจากวัตถุที่มันวาว ระบบจะเปลี่ยนพื้นผิวด้านโดยรอบให้กลายเป็นจอแสดงผลเสมือน ตามที่ Aniket Dashpute นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในห้องทดลองของ Veeraraghavan และเป็นผู้เขียนหลักของการศึกษากล่าวไว้ ขั้นที่สอง กล้องเหตุการณ์นิวโรมอร์ฟิกซึ่งบันทึกการเปลี่ยนแปลงของความเข้มแสงแทนการจับภาพทั้งเฟรม จะสร้างวิดีโอสามมิติความเร็วสูง กล้องนี้สามารถรับมือกับระดับแสงที่แตกต่างกันอย่างมาก ตั้งแต่สลัวมากไปจนถึงสว่างจัด ทำให้สามารถวัดพื้นผิวทุกส่วนในฉากได้อย่างแม่นยำและรวดเร็วเท่าๆ กัน โดยไม่คำนึงถึงความแตกต่างในการสะท้อนแสง ดังที่ Jiazhang Wang นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ Wyant College of Optical Sciences มหาวิทยาลัยแอริโซนา และเป็นผู้เขียนอันดับสองของรายงานกล่าว
การผสมผสานระหว่างการสแกนด้วยเลเซอร์และการถ่ายภาพแบบเหตุการณ์ถือเป็นการก้าวออกจากรูปแบบการตรวจจับสามมิติแบบเดิมอย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่กล้องทั่วไปจะถูกครอบงำด้วยการเคลื่อนไหวที่รวดเร็วหรือความแตกต่างของแสงที่รุนแรง กล้องเหตุการณ์จะบันทึกเฉพาะการเปลี่ยนแปลงเท่านั้น ลดปริมาณข้อมูลและเพิ่มความละเอียดเชิงเวลา ทำให้ระบบนี้เหมาะเป็นพิเศษสำหรับการประยุกต์ใช้แบบเรียลไทม์ที่ทุกมิลลิวินาทีมีความสำคัญ
ศักยภาพในการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ
ความก้าวหน้าครั้งนี้อาจเปลี่ยนแปลงการมองเห็นของเครื่องจักรในหลายสาขาที่มีความเสี่ยงสูง สำหรับยานยนต์ไร้คนขับ ความสามารถในการรับรู้คนเดินถนน รถคันอื่น และพื้นผิวถนนได้อย่างแม่นยำในสภาพแสงผสมและสภาพสะท้อนแสงที่ซับซ้อนเป็นสิ่งสำคัญต่อการนำทางที่ปลอดภัย ในด้านการตรวจสอบทางอุตสาหกรรม ผู้ผลิตสามารถใช้เทคนิคนี้เพื่อตรวจจับข้อบกพร่องบนชิ้นส่วนโลหะมันวาวหรือพื้นผิวโปร่งใสที่เครื่องสแกนทั่วไปไม่สามารถจับได้ ระบบจดจำใบหน้าอาจได้รับประโยชน์จากการตรวจจับความลึกที่แข็งแกร่งขึ้นในสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย ขณะที่การประยุกต์ใช้ด้านการตรวจจับมนุษย์ เช่น การจดจำท่าทางหรือการติดตามสุขภาพ ก็อาจได้รับประโยชน์จากความเร็วและความแม่นยำของวิธีนี้
ความสามารถในการปรับขนาดจากระดับจุลภาคถึงระดับสถาปัตยกรรม
แม้ว่าเทคโนโลยีนี้จะถูกสาธิตในห้องปฏิบัติการบนโต๊ะเท่านั้น แต่นักวิจัยเน้นย้ำว่าแนวทางนี้สามารถปรับขนาดได้โดยธรรมชาติ Florian Willomitzer รองศาสตราจารย์ที่ Wyant College of Optical Sciences และผู้ร่วมงานในการศึกษากล่าวว่า ความสามารถในการปรับขนาดเป็นข้อกำหนดสำคัญสำหรับการถ่ายภาพสามมิติ วิธีการเดียวกันนี้สามารถปรับใช้เพื่อวัดหลอดเลือดสะท้อนแสงขนาดเล็กในระหว่างการผ่าตัด หรือเพื่อแปลงเป็นดิจิทัลทั้งห้องและอาคาร ให้ความยืดหยุ่นในการทำงานในระดับและสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันมาก ความหลากหลายนี้ชี้ให้เห็นว่าเทคนิคดังกล่าวอาจถูกย่อขนาดสำหรับอุปกรณ์พกพาหรือขยายขนาดสำหรับการสแกนทางสถาปัตยกรรมขนาดใหญ่ได้ในที่สุด