Взаимодействие материи и света

(Апрель 2003)

Вынесенное в заголовок словосочетание — это практически дословный перевод названия одной из научных секций на ежегодной международной конференции SIGGRAPH, посвященной компьютерной графике и анимации. 

Но одновременно — это и весьма плодотворная, в смысле практических приложений, область исследований ученых-физиков. Поэтому вполне естественным будет рассказать здесь сразу и о том, и о другом.

Открытия под куполом

В рамках секции The Interaction of Light and Matter одним из наиболее ярких докладов на недавней конференции SIGGRAPH стал отчет о работе ученых исследовательского центра Hewlett-Packard Laboratories под названием «Полиномиальное формирование текстур» или PTM (от Polynomial Texture Mapping  www.hpl.hp.com/research/ptm/).

Особый блеск этому исследованию придавало то, что компьютерщикам удалось очень быстро найти весьма важное практическое применение для своей сугубо специальной, на непосвященный взгляд, разработки. В первую очередь — применение в археологии и палеонтологии.

Вообще говоря, под texture maps или текстурными картами в компьютерной 3D-графике принято понимать двумерные изображения всевозможных поверхностей, используемые для создания объемного представления объекта. В лабораториях же Hewlett-Packard группа ученых под руководством Тома Мэлзбендера (Tom Malzbender) создала новый метод PTM, ощутимо улучшающий фотореалистичность генерируемых компьютером текстурных карт.

Если излагать суть метода в технических терминах, то программа PTM оперирует при описании текстуры специальным биквадратичным уравнением-полиномом, конкретные коэффициенты которого для каждого тексела (элемента текстуры) используются при воссоздании цветов поверхности в условиях различного освещения.

Если же говорить простым человеческим языком, то за основу текстуры берутся обычные фотографии реальной поверхности, снятой под разными углами падения света, а затем программа очень правдоподобно воссоздает ту же поверхность, но уже при любых условиях освещения.

В ходе работы над PTM ученые попутно открыли несколько функций-преобразований, изменяющих отражательную способность поверхности, что может самым радикальным образом сказываться на улучшении контрастности изображения. Отсюда и было сделано предположение, что новый метод формирования текстур может оказаться очень полезен археологам или историкам при изучении полустершихся надписей на древних каменных сооружениях и глиняных табличках.

Решив не размениваться по мелочам, компьютерщики вышли на Йельский университет, где хранится крупнейшее в США собрание клинописи цивилизаций Междуречья — так называемая Вавилонская коллекция Йеля. Возраст многих из глиняных табличек собрания превышает 4000 лет, которые, естественно, не прошли для надписей незаметно, так что при их восстановлении и расшифровке у историков очень часто возникают серьезные проблемы.

[Пояснения к снимкам в заголовке: Эффект функции улучшения отражения применительно к древней шумерской табличке. (A) Исходная фотография. (B) Реконструкция PTM. (C) Образ, вычисленный с добавлением отраженного света. (D) Яркие участки из (C) добавлены в (B).]

В Йеле с интересом откликнулись на инициативу Hewlett-Packard, так что вскоре в университет переехало специфическое оборудование, разработанное Мэлзбендером с коллегами для особой цифровой съемки текстур. Поначалу этот прибор представлял собой просто геодезический купол, склеенный из деревянных реек и помогавший фиксировать лампу под разными углами для многократных съемок богатого текстурой «объекта» — измятой газеты, например.

К началу экспериментов в Йеле нехитрое приспособление уже успело преобразиться в серьезную автоматизированную аппаратуру — пластмассовый купол с 50 лампами-вспышками, позволяющий одним нажатием кнопки упорядоченно сделать полсотни цифровых снимков под всевозможными углами освещения. Подсоединенный к камере компьютер объединяет все фотографии в единый интегральный образ, который впоследствии исследователь может изучать под произвольным углом падения света — простым перемещением указателя мышки.

Историки быстро оценили преимущества аппаратуры, поскольку стало возможным давать даже недостижимые в реальности углы освещения, когда игра света и тени выявляет новые, невидимые прежде нюансы стершихся надписей. Более того, особые режимы программы («улучшение отражения» и «накопление рассеивания») позволяют делать глиняную поверхность просто зеркально-полированной, так что начинают проступать не только мельчайшие царапины, но даже отпечатки пальцев писцов, работавших с влажной глиной.

По признанию разработчиков PTM, они и сами не ожидали столь поразительных успехов от применения своей программы и аппаратуры, создававшихся, вообще говоря, с совсем другой целью. Не менее выдающиеся результаты удалось получить в последующих экспериментах с анализом остатков ископаемых, проведенных совместно со скандинавскимим палеонтологами и палеозоологами из Гелологического музея Осло и Шведского музея естествознания (palaeo-electronica.org/2002_1/fossils/issue1_02.htm).

Сейчас Мэлзбендер и его коллеги по HP Labs работают над портативными версиями оборудования для работы ученых в полевых условиях, что особо необходимо при снятии изображений с больших неперемещаемых объектов, таких как стены, скалы или крупные статуи. Параллельно прорабатываются возможности применения перспективной техники PTM и в совершенно иных областях исследований, таких как криминалистика или медицинская диагностика дерматологических заболеваний.

Жизнь в терагерцевых лучах

Понимание особенностей взаимодействия электромагнитных волн с материей приводит к еще более удивительным результатам, если слегка сместиться по спектру от видимого света к участку терагерцевых частот.

Диапазон терагерцевого излучения лежит на границе между радиоволнами (микроволновый интервал) и светом (инфракрасный интервал). В терминах частот электромагнитных колебаний это диапазон от 0,1 ТГЦ до 10 ТГЦ. Один терагерц (триллион герц) — это 1000 гигагерц, большинство же нынешних технологий радиосвязи достигли пока рубежа около 100 гигагерц (т.е. 0,1 ТГц).

Таким образом, на своем низкочастотном крае спектра терагерцевые волны именуются «миллиметровыми» и в своем поведении больше похожи на радиоволны. На высокочастотном же, 10-терагерцевом конце диапазона эти волны уже начинают именовать «дальней областью» инфракрасного спектра, и поведение волн здесь более-менее похоже на поведение оптических волн.

В целом же для волн этого спектрального промежутка характерно, можно сказать, двойственное поведение — отчасти как у света, отчасти как у радиоволн. Поэтому и в технологиях, используемых для генерации и детектирования терагерцевых волн, приходится смешивать методы работы с оптикой и радиоволнами: здесь совместно могут использоваться антенны, линзы, зеркала и электронные схемы. Отсюда понятно, что иногда технологии такого рода называют «квазиоптикой».

Когда дело доходит до изготовления снимков, терагерцевые волны и изображения демонстрируют весьма причудливые свойства. Поскольку картинка строится на основе измерения температуры или энергии терагерцевых волн, принимаемых отдельно каждым пикселем матрицы-детектора, то небо, к примеру, выглядит на таком снимке совершенно холодным, т.е. абсолютно черным даже в яркий жаркий день, а вот человек выглядит действительно горячим, т.е. белым.

Многие материалы, непрозрачные в обычном световом спектре, являются прозрачными для терагерцевых волн. Это означает, что терагерцевые камеры способны видеть сквозь туман и дым, что очень важно для ориентации самолетов, кораблей и автомобилей в плохих погодных условиях. Терагерцевые волны проникают также сквозь одежду. Это свойство считается очень важным с позиций обеспечения безопасности, поскольку в терагерцевом сканере полностью одетый человек выглядит фактически голым и одновременно на экране отчетливо проступают все предметы, скрываемые под одеждой.

Причем достигается этот эффект без использования вредных для здоровья излучений, вроде рентгеновских, поскольку терагерцевый формировщик изображений работает с естественными терагерцевыми волнами, излучаемыми человеком, а также с интенсивностью фона, отражаемого окружающими объектами. Кроме того, анализируя спектры испускаемых частот, можно дистанционно восстанавливать химические и физические характеристики скрытых от визуального наблюдения объектов.

Но при всей массе своих привлекательных качеств, с точки зрения технического освоения диапазон терагерцевых волн оказывается наиболее сложным для выявления, анализа и применения. При самой доступной частоте 0,1 ТГц волны могут детектироваться радиоприемником, функционирующим примерно так же, как, скажем, автомобильный приемник. Единственная разница в том, что здесь размер антенны составляет всего миллиметр, а вся радиосхема может умещаться на площади порядка 2 мм2.

С ростом же частоты (уменьшением длины волны) степень миниатюризации и сложности оборудования все больше возрастает, так что вплоть до недавнего времени терагерцевые технологии строились на основе чрезвычайно дорогих и высокоточных компонент, суммарная стоимость которых исчислялась десятками или сотнями тысяч долларов. Поэтому и применение подобная аппаратура находила лишь в тех областях, где стоимость не является главным определяющим фактором — в космических исследованиях и в астрономии.

Однако, многообещающий потенциал терагерцевой техники вызывает огромный интерес в самых разнообразных областях, от медицины, систем безопасности и изучения окружающей среды до коммуникаций и инфотехнологий. В системах связи, к примеру, терагерцевые волны теоретически способны обеспечивать сверхбыстрые беспроводные коммуникации на терабитовых (триллионы бит в секунду) скоростях. Благодаря общему прогрессу технологий в последние годы стоимость производства оборудования удалось очень ощутимо сократить, что сулит скорое применение терагерцевой техники и в повседневном быту.

Одну из наиболее эффектных работ в области освоения терагерцевой съемки провело недавно Европейское космическое агентство (ESA), где разработана целая система организации многонациональных «мозговых штурмов» для быстрого освоения новейших перспективных технологий, обещающих существенный прогресс не только в космических исследованиях, но и в повседневной жизни. В частности, летом 2002 года в рамках международного проекта-консорциума StarTiger  отобранная по конкурсу группа ученых Европы всего за несколько месяцев создала уникальную и относительно недорогую камеру для получения снимков в диапазоне терагерцевого излучения.

Изначально в ESA исследовали этот тип волн для считывания с помощью спутников данных об атмосферных и поверхностных феноменах планеты, однако на сегодняшний день не менее пристально изучаются и области применения нового частотного диапазона в более приземленных приложениях.

Проект StarTiger наглядно продемонстрировал, что при опоре на прогресс в технике фотонных кристаллов и полупроводниковой литографии уже сегодня имеется возможность изготовлять недорогие терагерцевые схемы и антенны на полупроводниковых дисках-«вафлях». На базе нанотехнологий был создан специальный материал из микрорешеток — фотонные кристаллы с лакунами, — который отражает, а не поглощает слабые терагерцевые волны, обеспечивая их максимальный сбор детекторами.

Одновременно показано, что массивы таких терагерцевых детекторов (пикселей) можно собирать в сенсорные матрицы, подобно тому, как строится светочувствительная матрица цифровой CCD-камеры. В течение лета 2002 года конструкторам удалось создать первый прототип прибора, с помощью которого были сделаны пассивный терагерцевый снимок руки через пачку бумаги толщиной 15 миллиметров и снимок человеческого тела, сделанный через одежду.

В своей окончательной версии демонстрационная система формирования изображений включала в себя двухцветную 16-пиксельную детекторную матрицу размером с почтовую марку, позволяющую получать снимки объектов в частотноим диапазоне от 0.2 до 0.3 ТГц.

Проект StarTiger территориально работал в Оксфорде, Великобритания, в стенах исследовательского центра Rutherford Appleton Lab. А неподалеку, в Кембридже на базе местного исследовательского подразделения Toshiba Research Europe в 2001 году была создана специальная фирма TeraView Ltd , тоже целиком сосредоточившаяся над разработкой терагерцевых сенсоров (главным образом, медицинских), но на основе иного, нежели в StarTiger, технологического подхода.

Вместо использования естественно излучаемых волн, эта компания применяет лазерную технику, которая усиливает терагерцевые сигналы до уровня, подходящего для легкого детектирования. С конца 2002 года фирма уже начала выпускать первые коммерческие аппараты — сканирующие устройства для работы онкологов и стоматологов. Поскольку сенсоры TeraView работают на основе особого излучения, не обладающего вредным ионизирующим воздействием, оборудование считается совершенно безопасным для здоровья пациентов и врачей.

Кроме того, в отличие от рентгеновского просвечивания, здесь строится не только картинка-образ, но и выдается содержательная спектральная информация об элементах изображения. В ближайших планах TeraView намечена разработка терагерцевых сенсоров для бесконтактного отслеживания уровня глюкозы в крови пациентов и для фармакологических исследований лекарств, сканеров для систем обеспечения безопасности.

Здесь же в Британии разработано и еще одно любопытное приложение терагерцевых технологий. Учеными из университета Лидса создано сканирующее устройство, позволяющее читать книгу, даже ее не открывая (reporter.leeds.ac.uk/478/s1.htm). Различия в реакции молекул бумаги и чернил (типографской краски) букв на терагерцевые волны настолько существенны, что позволяют формировать достаточно ясный, читаемый снимок изображения на каждой конкретной странице закрытой книги.

Помимо «бесконтактной» работы с ветхими древними манускриптами, рассыпающимися при попытке их раскрытия, для нового метода терагерцевого просвечивания постоянно находятся и другие области потенциального приложения.

Так, совместно с учеными «Археологического общества Йорка» исследователи Лидского университета работают над созданием компактных ручных сканеров. Подобные сканеры способны оказать археологам большую помощь на раскопках при оценке керамики и расписного стекла, покрытых нередко мощным слоем коррозии. Помимо воссоздания изображения, сканеры позволяют также делать химический анализ материалов, использовавшихся в работе древних мастеров.

В лабораториях постоянно рождаются идеи о все новых сферах применения технологии — от экспресс-анализа продуктов питания до оценки степени износа тканей одежды. И нет никаких сомнений, что со временем список этот будет только расти.

# # #