Mit der Kamera um die Ecke schauen – ohne Spiegel. Was sich nach einem Gadget aus einem Agentenfilm anhört, könnte bald ganz einfach sein: Wissenschaftler aus Deutschland und Kanada haben ein Kamerasystem entwickelt, das anhand von gestreutem Licht die Form von Gegenständen außerhalb des Gesichtsfeldes der Kamera rekonstruieren kann. Aufgrund des rasanten technischen Fortschritts bei Bildgebung und Computeralgorithmen sollen bald verschiedene Anwendungen in Kommunikation und Medizin möglich sein.
Wenn Licht auf einen Gegenstand oder auch eine Wand fällt, wird es zurückgeworfen. Auf den meisten Oberflächen findet diese Reflektion diffus statt, also gewissermaßen ungeordnet in alle Richtungen. Dieses diffuse Streulicht enthält für das menschliche Auge nur noch wenige Informationen – auf einer weißen Wand sehen wir eventuell noch die Struktur der Raufasertapete, aber ein Spiegelbild eines anderen Gegenstands könnten wir nie darin erkennen.
Rekonstruktion aus diffus gestreutem Licht
Genau das bewerkstelligt jedoch das Kamerasystem, das Wissenschaftler um Matthias B. Hullin vom Institut für Informatik II der Universität Bonn entwickelt haben: Ein Laser strahlt an eine Wand – durch das Kameraobjektiv ist nichts weiter zu sehen als weiße Tapete mit einem hellen Lichtfleck darauf. Dann jedoch kommt der Computer zum Einsatz: Er verarbeitet diese zunächst unspektakulären Bilder weiter. Auf dem Bildschirm zeichnen sich allmählich die Umrisse von hinter einer Trennwand verborgenen Buchstaben ab: Das System hat einen Blick um die Ecke geworfen.
„Es handelt sich um eine echte Rekonstruktion aus diffus gestreutem Licht“, erklärt Hullin die Funktionsweise. „Unsere Kamera, kombiniert mit einem mathematischen Verfahren, versetzt uns gewissermaßen in die Lage, diese Wand in einen Spiegel zu verwandeln.“ Entscheidend ist dabei das Licht des Laserpunktes, das von der Wand in alle Richtungen gestreut wird. Ein Teil dieses Lichtes fällt auch auf die verdeckten Buchstaben, von dort auf Umwegen zurück über die Wand schließlich in das Objektiv der Kamera. „Wir nehmen eine Art Lichtecho auf, also zeitaufgelöste Daten, aus denen wir das Objekt rekonstruieren können“, führt Informatiker Hullin aus. Dieses Echo bringt Informationen über Form und Aussehen der Gegenstände hinter der Trennwand.
Überraschend geringer technischer Aufwand
Dazu zeichnet das neue Kamerasystem nicht nur auf, aus welcher Richtung das Licht kommt, wie normale Kameras. Es speichert auch, wie lange das Licht des Lasers auf seinen Umwegen benötigt hat, um zurück zur Kamera zu finden. Der technische Aufwand hierfür ist überraschend gering – entsprechende Bildsensoren sind längst Massenware, vor allem in Tiefenbildkameras, wie sie etwa zur Steuerung von Videospielen oder für Abstandsmessungen bei Einparkhilfen im Auto verwendet werden.
Die Schwierigkeit besteht darin, den Messungen mit solchen Sensoren die gewünschte Information zu entlocken. Hullin vergleicht die Situation mit einem Raum, der so stark nachhallt, dass man sich nicht mehr mit seinem Gegenüber unterhalten kann: „Im Grunde messen wir nichts anderes als die Summe zahlreicher Lichtreflexionen, die auf verschiedensten Wegen in die Kamera gelangt sind und sich dort überlagern.“ Ein ziemliches Gewirr unterschiedlichster Lichtreflexe also, aus dem es mit geeigneten mathematischen Verfahren die nötigen Details herauszufiltern gilt.
Informationen aus dem Störsignal
Dieses Gewirr, die sogenannte Multipfad-Interferenz, bereitet Ingenieuren seit Langem Kopfzerbrechen. In der Regel wird versucht, die unerwünschte Streuung zu entfernen und nur das Licht auszuwerten, das auf dem direkten, kürzesten Weg von der Kamera über die Wand auf den Gegenstand und zurück reflektiert wird. Hullin und seine Kollegen verfolgen jedoch einen anderen Ansatz: Sie konzentrieren sich vor allem auf gerade die Lichtanteile, die sonst als Störung aus dem Signal herausgefiltert werden. Da dieses Licht aus praktisch allen Richtungen stammen kann – auch von Gegenständen herrührt, die sich überhaupt nicht im Blickfeld befinden – ist der Informationsgehalt deutlich höher. So können die Forscher Unsichtbares sichtbar machen.
„Die Genauigkeit unseres Verfahrens hat natürlich ihre Grenzen“, schränkt Hullin ein – noch beschränken sich die Ergebnisse auf grobe Umrisse. Der Informatiker geht allerdings davon aus, dass aufgrund der rasanten Entwicklung technischer Bauteile und mathematischer Methoden bald eine noch höhere Auflösung möglich ist. Das Interesse an derartiger Technologie ist groß – Hullin hofft, dass sich ähnliche Ansätze auch etwa in der Telekommunikation, der Fernerkundung und der medizinischen Bildgebung verwenden lassen.
(Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, 17.06.2014 – AKR)
