Mój przyjaciel, który zajmuje się projektowaniem gier, pokazał mi ostatnio trójwymiarowy model Ziemi, renderowany bardzo szczegółowo przy użyciu dokładne dane satelitarne, abyśmy mogli szybować przez kaniony i nasze dzielnice z dużą prędkością jak para jeżdżąca radośnie Nadludzie. „Zobaczmy, czy uda nam się zejść pod wodę” – powiedział z radością, gdy lecieliśmy nad Pacyfikiem.
Zawartość
- Problem z lidarem, problem z sonarem
- Co przychodzi do PASS
- Rzeczy, które leżą pod spodem
Nie mogliśmy. Model, tak zadziwiająco dokładny na lądzie, najwyraźniej nie miał żadnych danych, na podstawie których można modelować środowisko podwodne. Była to niewyrenderowana pustka pod szklistą powierzchnią wody, jakby była to jej podwodna wersja Przedstawienie Trumanai dotarliśmy na koniec świata.
Polecane filmy
Żadne z nas nie było szczególnie zaskoczone. Szok byłby, gdyby oceany miał zostało wyrenderowane. Skąd miałaby pochodzić taka informacja? I jak dokładne byłoby to? Oznaczałoby to, że twórcy modelu wiedzieli coś, czego nie wiedzą nawet czołowi oceanografowie na świecie.
Pomimo całej uzasadnionej ekscytacji związanej z eksploracją kosmosu w latach 20. XX wieku (Elon Musk jest „bardzo pewny siebie”, że do 2026 roku ludzie będą lecieć w stronę Marsa), oceany naszej planety pozostają w dużej mierze niezbadanym i nieznanym obszarem, położonym znacznie bliżej domu. Woda pokrywa około 71 procent powierzchni Ziemi, a słodka woda, którą pijemy, stanowi zaledwie 3 procent, czyli niewiele więcej niż błąd zaokrągleń. Jednak przytłaczająca większość oceanów na Ziemi – aż do 95 procent – to niezbadana tajemnica.
Chociaż wciąż daleko nam do odpowiednika Google Street View dla podwodnego świata, realizowany jest nowy projekt opracowane przez naukowców z Uniwersytetu Stanforda mogą utorować drogę do podobnych rozwiązań w przyszłości — i o wiele więcej Oprócz. Wyobraź sobie, że możesz latać samolotem nad obszarem wody i zobaczyć z absolutną przejrzystością, co kryje się pod falami.
To brzmi niemożliwie. Jak się okazuje, jest to po prostu bardzo, bardzo trudne.
Problem z lidarem, problem z sonarem
„Obrazowanie podwodnego środowiska z systemu powietrznego to trudne zadanie, ale ma wiele potencjalnych zastosowań” Aidana Jamesa Fitzpatricka, absolwentka wydziału elektrotechniki Uniwersytetu Stanforda, powiedziała Digital Trends.
Oczywistym kandydatem do tego zadania obrazowania jest lidar. Lidar jest technologia lasera odbitego najbardziej znany z tego, że pomaga pojazdom autonomicznym (innym niż Tesla) postrzegać otaczający ich świat. Działa poprzez emisję pulsacyjnych fal świetlnych, a następnie pomiar czasu potrzebnego na odbicie się obiektów i powrót do czujnika. Dzięki temu czujnik może obliczyć odległość, jaką przebył impuls świetlny, i w rezultacie stworzyć obraz otaczającego go świata. Chociaż samochody autonomiczne pozostają najbardziej znanym zastosowaniem lidaru, można go używać jako potężnego narzędzia do mapowania również w innych kontekstach. Na przykład badacze wykorzystali go w 2016 r. do odkryj dawno zaginione ukryte miasto pod gęstą roślinnością w kambodżańskiej dżungli.
Lidar nie jest jednak odpowiedni do tego rodzaju mapowania. Chociaż zaawansowane systemy lidarowe o dużej mocy dobrze sprawdzają się w wyjątkowo czystych wodach, większość oceanów – zwłaszcza wód przybrzeżnych – jest zwykle mętna i nieprzezroczysta dla światła. W rezultacie, jak powiedział Fitzpatrick, większość wykonanych do tej pory zdjęć podwodnych opierała się na znajdujących się w wodzie systemach sonarowych, które wykorzystują fale dźwiękowe zdolne do łatwego rozprzestrzeniania się w mętnej wodzie.
Niestety i tutaj jest pewien haczyk. Wodne systemy sonarowe są montowane na wolno poruszającej się łodzi lub holowane przez nią. Obrazowanie z powietrza przy użyciu latającego pojazdu latającego byłoby skuteczniejsze, ponieważ mogłoby objąć znacznie większy obszar w krótszym czasie. Jest to jednak niemożliwe, ponieważ fale dźwiękowe nie mogą przedostać się z powietrza do wody i z powrotem bez utraty 99,9999 procent swojej energii.
Co przychodzi do PASS
W rezultacie, chociaż systemy lidarowe i radarowe sporządziły mapę całego krajobrazu Ziemi (z naciskiem na „ląd”), jedynie około 5 procent wód świata było przedmiotem podobnego obrazowania mapowanie. To odpowiednik mapy świata, która pokazuje tylko Australię, a resztę pozostawia ciemną jak jakaś nieodkryta Era imperium mapa.
„Naszym celem jest zaproponowanie technologii, którą można zamontować na pojeździe latającym, aby zapewnić pokrycie na dużą skalę, a jednocześnie zastosować technikę obrazowania solidną w mętnej wodzie” – powiedział Fitzpatrick. „W tym celu opracowujemy tak zwany fotoakustyczny system sonaru powietrznego. PASS wykorzystuje zalety propagacji światła w powietrzu i dźwięku w wodzie do obrazowania środowisk podwodnych z systemu powietrznego”.
PASS działa w ten sposób: najpierw specjalny, niestandardowy system laserowy wystrzeliwuje impuls światła podczerwonego, który jest pochłaniany przez mniej więcej pierwszy centymetr wody. Po absorpcji lasera woda rozszerza się termicznie, tworząc fale dźwiękowe, które mogą przedostawać się do wody.
„Te fale dźwiękowe działają teraz jak sygnał sonaru w wodzie, który został zdalnie wygenerowany za pomocą lasera” – kontynuował Fitzpatrick. „Fale dźwiękowe będą odbijać się od obiektów podwodnych i wracać w kierunku powierzchni wody. Część tego dźwięku – tylko około 0,06 procent – przenika przez granicę powietrze-woda i wędruje w górę, w stronę układu powietrznego. Odbiorniki dźwięku lub przetworniki dźwięku o wysokiej czułości wychwytują te fale dźwiękowe. Przetworniki [następnie] przekształcają energię dźwiękową w sygnały elektryczne, które mogą zostać przepuszczone przez algorytmy rekonstrukcji obrazu w celu utworzenia dostrzegalnego obrazu”.
Rzeczy, które leżą pod spodem
Jak na razie prace nad projektem PASS są w toku. Zespół zademonstrował trójwymiarowe obrazowanie o wysokiej rozdzielczości w kontrolowanym środowisku laboratoryjnym. Jednak, jak przyznał Fitzpatrick, znajduje się to w „pojemniku wielkości dużego akwarium”, chociaż technologia jest obecnie „blisko sceny”, gdzie można ją zastosować nad dużym basenem.
Istnieje oczywiście niewielka różnica pomiędzy dużym basenem a całością ziemskich oceanów, a to będzie wymagało znacznie więcej pracy. W szczególności dużym wyzwaniem, które należy rozwiązać przed testami w większych, bardziej niekontrolowanych środowiskach, jest sposób radzenia sobie z obrazowaniem przez wodę z burzliwymi falami powierzchniowymi. Fitzpatrick powiedział, że jest to zagadka, ale „z pewnością ma wykonalne rozwiązania”, nad niektórymi z których zespół już pracuje.
„PASS można wykorzystać do mapowania głębokości niezbadanych wód, badania środowiska biologicznego, poszukiwania zaginionych wraków i potencjalnie wielu innych celów” – powiedział. „Czy to nie dziwne” – dodał – „że musimy jeszcze zbadać całą Ziemię, na której żyjemy? Może PASS może to zmienić.
Połączenie światła i dźwięku w celu rozwiązania problemu interakcji powietrze-woda zmieniłoby zasady gry. I potem? Sprowadź armię dronów mapujących, aby w końcu pomogły nam pokazać, co kryje się pod powierzchnią oceanu.
Artykuł opisujący projekt PASS brzmiał niedawno opublikowane w czasopiśmie IEEE Access.
Zalecenia redaktorów
- Nowa, sprytna kamizelka dotykowa może pozwolić psom ratowniczym na przejmowanie poleceń z odległości wielu kilometrów
