Исследователи из Пекинского технологического института представили микрофон, который воспринимает звук с помощью света, а не звука. В отличие от традиционных устройств, он улавливает мельчайшие вибрации на поверхности объектов, вызванные звуковыми волнами, и преобразует их в звуковые сигналы.
«Наш метод упрощает и удешевляет использование света для записи звука, а также позволяет применять его в ситуациях, когда традиционные микрофоны неэффективны, например, при разговоре через стеклянное окно», — заявил руководитель исследовательской группы Сюй-Жи Яо.
В журнале Optics Express исследователи описывают новый подход, впервые применяющий однопиксельную визуализацию для обнаружения звука. Используя оптическую установку без дорогостоящих компонентов, они продемонстрировали, что этот метод позволяет восстанавливать звук, задействуя вибрации на поверхностях предметов, таких как листья и листы бумаги.
«Новая технология потенциально может изменить способ записи и мониторинга звука, открыв новые возможности для многих областей, таких как мониторинг окружающей среды, безопасность и промышленная диагностика. Это может позволить поговорить с человеком, находящимся в замкнутом пространстве, например, в комнате или автомобиле», — сказал Яо.
Ранее для обнаружения звука с помощью света использовались различные методы, они требуют сложного оптического оборудования, такого как лазеры или высокоскоростные камеры. В новой работе исследователи решили использовать метод, известный как однопиксельная визуализация, для разработки более простого и менее затратного подхода.
При однопиксельной визуализации изображения получаются с помощью всего одного детектора света (или пикселя), а не традиционного сенсора камеры с миллионами пикселей. Вместо того, чтобы записывать изображение целиком, свет сцены модулируется пространственным модулятором света с помощью изменяющихся во времени структурированных шаблонов, и однопиксельный детектор измеряет количество модулированного света для каждого шаблона. Затем компьютер использует эти измерения для восстановления информации об объекте.
Чтобы применить однопиксельную визуализацию для обнаружения звука, команда Яо использовала высокоскоростной пространственный модулятор света для кодирования света, отраженного от вибрирующей поверхности. Вызванное звуком движение провоцирует едва заметные изменения интенсивности света, которые улавливаются однопиксельным детектором и декодируются в слышимый звук. Для отслеживания вибраций объектов использовались методы локализации на основе преобразования Фурье, что позволило эффективно и точно измерять мельчайшие колебания.
«Сочетание однопиксельной визуализации с методами локализации на основе преобразования Фурье позволило нам добиться высококачественного обнаружения звука, используя более простое оборудование и с меньшими затратами. Наша система позволяет обнаруживать звук, используя повседневные предметы, такие как бумажные карточки и листья, при естественном освещении, и не требует, чтобы вибрирующая поверхность отражала свет определённым образом», — сказал Яо.
Ещё одно преимущество использования однопиксельного детектора для регистрации информации об интенсивности света заключается в том, что он генерирует относительно небольшой объём данных. Это означает, что данные можно легко загружать на устройства хранения или в интернет в режиме реального времени, что позволяет вести длительную или даже непрерывную запись звука.
Чтобы продемонстрировать работу нового визуального микрофона, исследователи протестировали его способность восстанавливать произношение китайских и английских цифр, а также фрагмент из «К Элизе» Бетховена. В качестве объектов вибрации они использовали бумажную карту и лист, разместив их на расстоянии 0,5 метра от объектов, в то время как динамик поблизости воспроизводил звук.
Система успешно восстановила чёткий и разборчивый звук, причём бумажная карта показала лучшие результаты, чем лист. Низкочастотные звуки (1 кГц) демонстрировали небольшие искажения, которые были устранены после применения фильтра обработки сигнала. Тестирование скорости передачи данных системы показало, что она обеспечивает 4 МБ/с, что достаточно мало для минимизации требований к объёму памяти и обеспечения длительной записи.
«В настоящее время эта технология существует только в лабораторных условиях и может использоваться в особых ситуациях, когда традиционные микрофоны не работают. Мы стремимся расширить возможности системы для других приложений измерения вибрации, включая измерение пульса и частоты сердечных сокращений человека, используя её многофункциональные возможности сбора информации», — отметил Яо.
Исследователи также работают над повышением чувствительности и точности системы, делая её достаточно портативной для повседневного использования. Еще одной ключевой целью является расширение эффективного диапазона для обеспечения надёжного обнаружения звука на большом расстоянии.
Источник: habr.com