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Sonntag, 25.09.2016
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Ertappt! Kamera blickt um die Ecke

Streulicht-Kamera detektiert Positionen bewegter Objekte außerhalb des Sichtfelds

Um die Ecke geschaut: Forscher haben erstmals eine Kamera konstruiert, die sogar bewegte Objekte außerhalb ihres Sichtfelds wahrnehmen kann. Selbst um eine Ecke herum oder hinter einer vorstehenden Wand bleibt ein Objekt damit nicht verborgen. Der Clou daran ist ein Laserstrahl, dessen Streulicht um die Ecke reicht. Das verborgene Objekt wirft Teile dieses Lichts wieder ins Kamerablickfeld zurück und verrät so seinen Standort, wie die Forscher im Fachmagazin "Nature Photonics" berichten.
Diese Kamera kann selbst um die Ecke schauen - ein Laser hilft ihr dabei.

Diese Kamera kann selbst um die Ecke schauen - ein Laser hilft ihr dabei.

Es klingt wie ein Hilfsmittel direkt aus der Agentenwerkstatt von "Q": Eine Kamera, die im Gegensatz zu uns problemlos um eine Ecke schaut – und dies aus sicherer Entfernung. Tatsächlich gibt es solche Geräte bereits: 2014 stellten Bonner Forscher eine solche Kamera vor. Allerdings hatte sie in Manko: Sie konnte nur stehende Objekte detektieren.

Laserlicht als "Detektorstrahl"


"Noch besser wäre aber die Fähigkeit, die Bewegung eines versteckten Objekts zu verfolgen – beispielsweise eines Menschen hinter einer Wand oder eines Autos, das sich aus einem toten Winkel nähert", erklären Genevieve Gariepy von der Heriot-Watt University in Edinburgh und ihre Kollegen. "Die für solche Kamera eingesetzten Technologien waren jedoch bisher ungeeignet, um sich bewegende Objekte abzubilden."

Das Prinzip der Kamera: Der Laserstrahl wird vom Boden kreisförmig gestreut und trifft das Objekt, Dessen Reflexion trifft ins Blickfeld der Kamera.

Das Prinzip der Kamera: Der Laserstrahl wird vom Boden kreisförmig gestreut und trifft das Objekt, Dessen Reflexion trifft ins Blickfeld der Kamera.

Dies haben die Forscher nun geändert. Ihre Technik verleiht der bereits zuvor erfundenen Streulicht-Kamera eine besonders hohe zeitliche Auflösung, die selbst einzelne Photonen noch sichtbar macht. Das Prinzip: Ein gepulster Laserstrahl wird auf den Boden einige Zentimeter außerhalb des Kamerablickfelds gerichtet. "Wie in vielen Real-Life-Situationen gibt es nicht immer ein Fenster oder eine andere passende Oberfläche, die als Reflektor dienen kann, daher verlassen wir uns auf den hellen Boden", so Gariepy und ihre Kollegen.


Position bis auf einen Zentimeter genau


Das Licht des Lasers wird vom Boden reflektiert und dabei kreisförmig gestreut. Das aber bedeutet, dass ein Teil dieses Lichts auch senkrecht zur Kamerablickrichtung abstrahlt – beispielsweise um eine Ecke oder vorstehende Wand herum. Hinter der Wand befindet sich das Zielobjekt – im Experiment der Forscher eine 30 Zentimeter hohe Schaumstofffigur. Trifft das gestreute Laserlicht auf diese Figur, wird ein Teil der Photonen zurückgeworfen und landet im Blickfeld der Kamera.

Jetzt kommt die Spezialkamera zu Einsatz, eine sogenannte Single-Photon Avalanche Diode-Kamera (SPAD). Sie kann selbst einzelne Photonen registrieren, die in ihrem Blickfeld landen. Aus der Laufzeit der Photonen vom Laser zum Objekt und wieder zurück ermittelt die Kamerasoftware den Abstand zum Objekt - und dies ziemlich genau: "Die Kamera liefert uns eine Angabe der Position, die bis auf einen Zentimeter in der X- und zwei Zentimeter in der Y-Achse genau ist", berichten die Forscher.

Bewegung mitverfolgt


Das Besondere aber ist die hohe zeitliche Auflösung der Kamera: Ihre Aufnahmerate liegt bei 20 Milliarden Frames pro Sekunde, wie die Forscher berichten. Dadurch kann sie die Positionen sich bewegender Objekte mitverfolgen. Im Experiment verschoben die Forscher die Position ihrer Figur so, dass sie nur jeweils drei Sekunden an einem Punkt blieb. Die Kamera zeichnete auch dies problemlos auf.

So funktioniert die Kamera, die bewegte Objekte boch um die Ecke sieht


"Die Kamera kann die Geschwindigkeit des Objekts mit annehmbarer Genauigkeit aufzeichnen", berichten Gariepy und ihre Kollegen. Solange sich der Gegenstand nicht schneller bewegt als etwa einen Objektdurchmesser pro Sekunde, weiß die Kamera trotz Bewegung jederzeit, wo das Objekt gerade ist. Und sogar zwei Objekte gleichzeitig kann die Kamera um die Ecke herum orten, wie die Wissenschaftler in einem ersten Test demonstrierten. Sie halten es für durchaus machbar, die Zahl der detektierbaren Gegenstände sogar noch weiter zu erhöhen.

Fürs Auto und bei Katastrophen-Einsätzen


Anwendungen für die Um-die-Ecke-Kamera gäbe es einige, wie Gariepy und ihre Kollegen erklären. So könnte sie beispielsweise bei Rettungseinsätzen zeigen, ob ein Gang frei ist oder ob dort Gefahren lauern. In Fahrzeuge eingebaut könnte die Kamera Objekte sehen, die sich aus dem toten Winkel des Fahrers nähern und ihn warnen.

Noch ist die Kamera zwar eher ungenau, wenn es um die Form des Gegenstands geht. Aber da es schon räumlich höher aufgelöste Versionen solcher Streulicht-Kameras gibt, sind die Forscher zuversichtlich, auch das bei künftigen Modellen verbessern zu können. (Nature Photonics, 2015; doi: 10.1038/nphoton.2015.234)
(Nature, 08.12.2015 - NPO)
 
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