В ходе совместного проекта Бостонского университета и Массачусетского технологического института (MIT) и Politecnico di Milano (Италия) был создан усовершенствованный алгоритм — настолько эффективный, что позволяет генерировать высококачественные 3D-изображения с помощью однофотонной камеры, которая детектирует всего один сигнальный фотон на один пиксель. Обычная цифровая фотокамера получает более миллиарда фотонов, то есть в формировании одного пикселя её снимка участвуют свыше тысячи фотонов.

Новая система, о которой рассказывает статья в Nature Communications, имеет наивысшую фотонную эффективность среди всех известных технологий 3D-визуализации, обеспечивая заметно лучшую точность реконструкции и увеличенное на порядок разрешение при определении глубины сцены.

Своё решение ученые опробовали в условиях низкого освещения, когда снимаемая сцена с манекеном и подсолнечником подсвечивалась рассеянными лазерными импульсами с периодичностью 50 нс. Для большей реалистичности также присутствовала слабая фоновая подсветка.

Ключевым компонентом камеры был массив однофотонных лавинных диодов (Single-Photon Avalanche Diode, SPAD), регистрирующий поступающие фотоны и точное время их прихода. Для реконструкции изображения на основании столь малого количества полученных фотонов, алгоритм принимал во внимание статистическую корреляцию между элементами сцены и решал математическую задачу выпуклой оптимизации.

Итоговая картинка имела размеры 384×384 и на каждый её пиксель в среднем приходился один сигнальный фотон и один — фоновой подсветки.

Однофотонная камера способна снимать не только при практически полном отсутствии света, но и очень быстро. Эти достоинства открывают для неё широкое поле применения: в биологической визуализации, астрофотографии, средствах пространственного ориентирования для продвинутых роботов — БПЛА и вездеходов для исследования планет. Кроме того, эта технология будет использоваться в проекте REVEAL агентства DARPA, цель которого состоит в разработке методов реконструкции изображений скрытых объектов на основе информации, содержащейся в рассеянном свете.