壁の向こうの「見えない物」の立体形状を、レーザー光線で“見る”：米大学がシステムを開発

2018年3月13日 20時30分

スタンフォード大学のエンジニアたちが、研究室に奇妙な仕掛けをつくった。壁をT字型に配置し、ウサギのぬいぐるみを壁の向こうに隠したのだ。それでも、コンピューターと高速照射レーザーを組み合わせたシステムを使えば、壁の向こうにあるものを“見る”ことができる。

将来、同じことが自律走行車でも可能になるかもしれない。少なくとも、このアイデアは自動運転技術への応用を前提に生まれた。レーザーの光子（光の粒子）の軌跡を利用し、隠れた対象物の位置と形状を計測する技術だ。「隠れているもの」がウサギでも、通り過ぎる歩行者でも、変わりはない。

これは、まったく新しいアイデアというわけではない。自律走行車にレーザー光を使ったセンシング技術「LiDAR（ライダー）」を取りつけようという動きと、タイミングがぴったり一致している。LiDARは光の粒子が対象物にぶつかって跳ね返り、デヴァイスに戻ってくるまでの時間を算出して周辺環境の3Dマップをつくり、クルマの正しい進路を探すのに役立てる。

今回のシステムも同様の着想だが、難易度ははるかに高い。

実験はこのような配置になっている。レーザーを壁に当て、隠れたウサギを映し出す。IMAGE COURTESY OF STANFORD COMPUTATIONAL IMAGING LAB

レーザーで壁の向こうに隠れたものが“見える”、と言われても想像しにくいかもしれない。もう少し詳しく説明しよう。

２枚の壁をT字型に置く。それぞれを少し引き離し、間隔を空ける。ぬいぐるみのウサギを、「T」の縦棒に相当する壁の裏に置く。あなたは壁の手前に立つ。壁の向こうにはウサギがいる（つまりウサギは見えない）。

Tの横棒に相当する壁に向かってボールを投げると、かわいいウサギに当たるかもしれない。壁に斜めの方向から当たったボールは、壁と壁の間を抜け、モコモコのウサギに命中し、倒してしまうかもしれない。

ここで、このボールを1秒に数百万パルスの光を放つピコ秒レーザーに置き換えてほしい。光は斜めに壁に当たり、壁の向こうのウサギに当たって跳ね返り、再び壁にぶつかって戻ってくる。このレーザーの軌跡をアルゴリズムで変換し、ウサギの3Dイメージをつくることができるのだ。

レーザーと光子検出器で3D化を「一瞬」に

ここにはいくつか難題がある。レーザー光線が壁に当たってウサギに届き、そこから壁に戻り、さらにセンサーに戻ってくると、ごくわずかな光線経路しか残されない。このかすかなシグナルを最大限に活用するには、極微弱光量を観測する単一光子検出器「シングルフォトン・アヴァランシェダイオード（SPAD）」を使う必要がある。

「トランプでつくった家を考えてみてください」と、スタンフォード大学で電気工学を教えるゴードン・ウェツシュタインは言う。「光子の一つひとつは非常に小さく、見つけ出すことができません。しかしその粒子が、SPADという特別な機器に当たると、トランプの家の一番下からカードを1枚引き出すように、すべてがバラバラに崩れます」

スタンフォード大学で電気工学を学ぶデヴィッド・リンデルによると、たった1個の光子が電流の「アヴァランシェ（雪崩）」をセンサーに引き起こす力をもっているという。つまり、この電圧が最大になると、光子が戻ったことを知らせるシグナルになる。

この実験のデモンストレーションで、研究グループはレーザー照射時間を対象物の反応の程度に合わせて7分あるいは70分と変えながら、SPADでレーザーが戻る様子を観察した。

これでデータを集める方法はわかっただろう。しかし、隠れた対象物を3Dイメージに変換する方法を説明したことにはならない。壁の裏側に何があるかを知るには、研究者はレーザーがたどりうる経路すべてを把握する必要がある。したがって、壁の形状もスキャンしなければならない。

「壁がどこにあるかわかれば、隠された物体の3Dイメージを構築できます」とリンデルは言う。データが取得できれば──つまり、壁のスキャンが完了し、7分あるいは70分照射されたレーザー光がSPADに戻ってくれば──アルゴリズムを用いて、部屋の薄暗い明かりのような余計な情報を取り除く作業ができる。

研究室で、壁の向こうを見る実験。PHOTOGRAPH COURTESY OF LINDA A. CICERO/STANFORD

従来のシステムでこうしたデータをすべて取り込むには、極めて強力なハードウェアと相当な時間を要した。しかし、3月5日発行の『Nature』誌で発表されたこの新たな設備を使えば、エンジニアたちはノートパソコンであっという間にデータを解析できる。

「ノートパソコンのボタンをひとつ押すだけで、瞬く間に画像を処理できます。以前なら、何時間もかけて数値計算ハードウェアを使わなければ不可能でした」とリンデルは話す。

可能になったのは、システムの設定方法が変わったからである。視界から隠されたものを見るためにレーザーを使う方法でも、従来はレーザーと光探知器を同じ位置に向けていなかった。システムが「コンフォーカル（共焦点）」になっていなかったわけだ。

「共焦点の原理を使うことは、それまで発想のなかった新しいアイデアです。隠されたものを見るために、アルゴリズムが必要とするものを簡略化できます」と、マサチューセッツ工科大学（MIT）でコンピューターイメージングを研究するアチュータ・カダンビは言う。

「明るい昼間の太陽の下」での使用法が課題

自律走行車の研究に携わる人はほぼ全員、すでにレーザーを活用している。将来、曲がり角の向こうを見る技術として取り入れることを考えるのは当然だ。

ただし、課題は残る。昼間、明るいなかでレーザーのパワーを上げ、かつ歩行者の目をくらますことのないようにしなければならない。現実の世界で光子がぶつかるのは、研究室の壁よりはるかに不規則な、ありとあらゆる種類の「表面」だ。そのうえ、向こうのトラックの後ろに歩行者がいるかどうか確かめるために何分も待つわけにはいかない。

「最大の問題は、光が何回も跳ね返るうちにシグナルの量が失われることです」と、この論文の主筆であるスタンフォード大学のマシュー・オトゥールは言う。「さらに、走行中のクルマの場合、明るい太陽光の下で離れた位置から素早くシグナルをとらえて算出しなくてはなりません」

とはいえ、この技術には自律走行車の分野を超えて、“明るい”未来が待っているかもしれない。すでに病院やホテルの廊下を動き回っているロボットは、誰かが角を曲がってやってくるのをうまく検知できるようになるだろう。さらには内視鏡などの医療機器へも応用できるかもしれない。

あるいは単に、角を曲がった向こうにいる「見えないウサギさん」を探す方法なのかもしれない。もしウサギを見つけたら、エルマー・ファッド（アニメの「バッグス・バニー」を追いかけるハンターのキャラクター）を呼ぶといいだろう。