Invertierung von Multipfad-Streulicht in optischen Laufzeitmessungen

Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung von laufzeitbasierten Tiefenbildkameras und Rekonstruktionsmethoden, die nicht nur robust gegenüber Multipfad-Streulicht sind, sondern dieses als zusätzliche (beziehungsweise einzige) Informationsquelle nutzen. Hierzu entwickeln wir zeitaufgelöste Bildentstehungsmodelle und rechnergestützte Verfahren, um diese zu invertieren.

Wände in Spiegel verwandeln mit Hilfe optischer Echos

Um das Potential von Multipfadanalyse auf optischen Laufzeitmessungen zu demonstrieren, haben wir einen Messaufbau entwickelt, bestehend aus einer Laserquelle und einer gewöhnlichen Time-of-flight-Kamera. Beide werden auf einer sehr hohen Frequenz moduliert (10-120 MHz). Time-of-flight-Sensoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie nur solches Licht registrieren, das mit der gleichen Frequenz moduliert ist, und dass sie praktisch unempfindlich gegenüber Umgebungslicht sind.

In vorangehenden Arbeiten hatten wir zeigen können, dass solche Kameras eine codierte Version einer optischen Impulsantwort aufzeichnen - also ein Video von Licht in Bewegung oder ein transientes Bild. Bis zu dieser Entdeckung erforderte die Messung solcher Videos hochempfindliche und teuere Gerätschaften (eine Streakkamera und einen Femtosekundenlaser). Es ist bekannt, dass solche Impulsantworten enthalten wertvolle Informationen über die Geometrie einer Szene. Insbesondere hatten Forscher am MIT Media Lab zeigen können, dass sich auf Grundlage von Streakkameramessungen detaillierte Geometrie von Objekten ermitteln lässt, die sich nicht im direkten Blickfeld von Lichtquelle und Kamera befinden.

In unserer Arbeit über diffuse Spiegel [Heide et al. 2014] zeigen wir, dass vergleichbare Ergebnisse auch dann möglich sind, wenn keine explizit zeitaufgelösten Daten vorliegen. Unser Rekonstruktionsverfahren basiert auf einem sorgfältig aufgestellten Modell für die Lichtausbreitung. In Verbindung mit unserem bestehenden Sensormodell können wir aus dreifach diffus reflektiertem Licht (Wand - Objekt - Wand) die Geometrie versteckter Objekte schätzen. Das Ergebnis ist eine Dichteverteilung für ein verstecktes Volumen, erhalten unmittelbar aus den Korrelationsmessungen der Time-of-flight-Kamera, ohne jemals ein transientes Bild berechnen zu müssen.