Các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice và Đại học Arizona vừa phát triển một phương pháp chụp ảnh tính toán có khả năng biến những bề mặt mờ thông thường như tường, đồ nội thất và quần áo thành màn hình hiển thị ảo. Kỹ thuật này cho phép máy móc tái tạo các cảnh ba chiều với tốc độ và độ chính xác vượt trội. Được công bố trên tạp chí Nature Communications, công trình giải quyết một điểm yếu nghiêm trọng của thị giác máy hiện nay: khả năng ghi lại chính xác các môi trường động có chứa cả vật thể mờ và phản chiếu. Bằng cách chiếu tia laser lên các bề mặt không phản chiếu và sử dụng máy ảnh thần kinh sự kiện tốc độ cao, hệ thống có thể ghi lại những thay đổi nhanh chóng về cường độ ánh sáng thay vì toàn bộ khung hình. Điều này mang lại hiệu suất vượt trội trong điều kiện ánh sáng khắc nghiệt và với các đối tượng chuyển động, mở ra tiềm năng cho nhiều ứng dụng từ lái xe tự động đến kiểm tra công nghiệp.
Giải quyết thách thức kéo dài trong thị giác máy
Hầu hết các hệ thống chụp ảnh 3D hiện có đều dựa trên ánh sáng có cấu trúc, chiếu các mẫu lên cảnh để đo biến dạng trên bề mặt vật thể nhằm tạo bản đồ độ sâu. Tuy nhiên, các hệ thống này thường thất bại khi đối mặt với chuyển động, ánh sáng gay gắt hoặc những cảnh có sự pha trộn giữa vật liệu mờ và phản chiếu. Trong môi trường phản xạ hỗn hợp như vậy, ánh sáng dội qua lại giữa các bề mặt làm méo mó kết quả đo và giảm chất lượng hình ảnh. Phương pháp mới đã vượt qua những rào cản này bằng cách tái sử dụng chính các bề mặt gây khó khăn — tường mờ, quần áo và đồ nội thất — thành những màn hình ảo phản chiếu các chấm laser lên vật thể bóng loáng. Nhờ đó, kỹ thuật này không cần thiết bị chuyên dụng đắt tiền mà vẫn thu được dữ liệu chính xác.
Deflectometry được tái hiện sáng tạo
Ashok Veeraraghavan, chủ nhiệm khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính tại Trường Kỹ thuật và Máy tính George R. Brown của Đại học Rice, giải thích rằng nhóm nghiên cứu đã tận dụng một kỹ thuật quen thuộc trong thị giác máy gọi là phép đo độ lệch. Phương pháp này đo hình dạng của các bề mặt bóng bằng cách quan sát sự biến dạng của các mẫu ánh sáng chiếu lên chúng. Trước đây, phép đo độ lệch đòi hỏi những màn hình lớn được đặt cẩn thận, khiến quy trình trở nên đắt đỏ và kém linh hoạt. Bằng cách chiếu tia laser lên các bề mặt mờ đã có sẵn trong cảnh, các nhà nghiên cứu đã loại bỏ nhu cầu về thiết bị đặc biệt, biến bất kỳ căn phòng nào thành môi trường chụp ảnh chức năng. Sự sáng tạo này mở ra hướng đi mới cho việc đơn giản hóa hệ thống thị giác 3D.
Cách hệ thống hoạt động: Laser và cảm biến thần kinh sự kiện
Quá trình chụp ảnh diễn ra theo hai bước rõ ràng. Đầu tiên, một tia laser quét các bề mặt mờ như tường, quần áo và đồ nội thất để tạo ra bản đồ 3D chính xác của chúng. Khi các điểm laser phản chiếu khỏi những vật thể bóng, hệ thống sẽ tái sử dụng các bề mặt mờ xung quanh thành màn hình hiển thị ảo — theo mô tả của Aniket Dashpute, nghiên cứu sinh trong phòng thí nghiệm của Veeraraghavan và là tác giả chính của nghiên cứu. Thứ hai, một máy ảnh thần kinh sự kiện ghi lại những thay đổi về cường độ ánh sáng thay vì chụp toàn bộ khung hình, từ đó tái tạo video 3D tốc độ cao. Jiazhang Wang, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Trường Khoa học Quang học Wyant của Đại học Arizona và là đồng tác giả thứ hai của bài báo, lưu ý rằng loại máy ảnh này có thể xử lý các mức ánh sáng rất khác nhau, từ cực tối đến cực sáng, đảm bảo đo lường tất cả bề mặt vật thể với độ chính xác và tốc đồng đều. Sự kết hợp giữa quét laser và chụp ảnh dựa trên sự kiện đại diện cho một bước tiến quan trọng so với cảm biến 3D thông thường, giảm tải dữ liệu và tăng độ phân giải thời gian.
Tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực
Công nghệ mới có thể thay đổi thị giác máy trong nhiều lĩnh vực then chốt. Đối với xe tự hành, khả năng cảm nhận chính xác người đi bộ, các phương tiện khác và mặt đường trong điều kiện ánh sáng hỗn hợp và phản xạ phức tạp là yếu tố sống còn cho vận hành an toàn. Trong kiểm tra công nghiệp, các nhà sản xuất có thể sử dụng kỹ thuật này để phát hiện khuyết tật trên các chi tiết kim loại bóng hoặc bề mặt trong suốt mà máy quét tiêu chuẩn thường bỏ sót. Hệ thống nhận diện khuôn mặt có thể hưởng lợi từ cảm biến độ sâu mạnh mẽ hơn trong nhiều môi trường khác nhau, trong khi các ứng dụng cảm biến con người — như nhận dạng cử chỉ hoặc theo dõi sức khỏe — sẽ được cải thiện nhờ tốc độ và độ chính xác của phương pháp này. Sự linh hoạt của hệ thống hứa hẹn mang lại tác động sâu rộng đến nhiều ngành công nghiệp.
Từ quy mô phòng thí nghiệm đến ứng dụng thực tế
Mặc dù công nghệ mới chỉ được trình diễn trong môi trường phòng thí nghiệm trên bàn thí nghiệm, nhưng các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng phương pháp này có khả năng mở rộng về bản chất. Florian Willomitzer, phó giáo sư tại Trường Khoa học Quang học Wyant và là cộng tác viên trong nghiên cứu, giải thích rằng khả năng mở rộng là một yêu cầu quan trọng đối với chụp ảnh 3D. Cùng một phương pháp có thể được điều chỉnh để đo các mạch máu phản chiếu nhỏ trong phẫu thuật hoặc số hóa toàn bộ căn phòng và tòa nhà, mang lại sự linh hoạt để hoạt động ở các quy mô và môi trường rất khác nhau. Tính đa dụng này cho thấy kỹ thuật này cuối cùng có thể được thu nhỏ cho các thiết bị cầm tay hoặc mở rộng cho quét kiến trúc quy mô lớn. Triển vọng thương mại hóa và kiểm chứng ngoài phòng thí nghiệm sẽ là bước tiếp theo đáng chú ý.