Некоторые животные, не отличающиеся острым зрением, вроде летучих мышей или дельфинов, используют эхолокацию для определения своего местоположения в пространстве. Слепые люди тоже обладают подобными умениями: иногда они могут определить примерное количество шагов до ближайшей стены, опираясь лишь на свои слуховые ощущения.
Учёные из Федеральной политехнической школы в Лозанне (EPFL) взяли на заметку эти интересные особенности людей и животных, чтобы создать уникальный компьютерный алгоритм. Команда исследователей из Лаборатории аудиовизуальных коммуникаций (LCAV) во главе с Мартином Веттерли (Martin Vetterli) создала компьютерную программу, способную создать трёхмерную модель помещения, ориентируясь на звуковые сигналы, полученные четырьмя микрофонами.
"Наша программа способна создать 3D-модель простой комнаты, воссоздав её размеры с точностью до нескольких миллиметров", — рассказывает член команды разработчиков Иван Докманич (Ivan Dokmanić).
Самое интересное, что микрофоны — основной инструмент, необходимый для работы всего алгоритма — не нужно ставить каким-то особенным образом. Их можно расставить в произвольном порядке в помещении, объёмы которого вам необходимо измерить.
"Микрофоны ловят прямые звуковые сигналы и эхо, отражённое от стен помещения. Программа сравнивает сигналы, полученные каждым из четырёх микрофонов. На основе длительности интервалов между прямыми и отражёнными звуковыми сигналами компьютер не только высчитывает расстояние между самими микрофонами, но и расстояние от каждого микрофона до ближайшей стены и источника звука", — поясняет Докманич в пресс-релизе EPFL.
Механизм "сортировки" звуковых сигналов и эхо является первым в своём роде. Для анализа каждого эхо-сигнала в системе используется матрица расстояний Евклида (Euclidean distance matrix). Основываясь на том, сколько раз звуковой сигнал "отскочил" от ближайшего объекта, программа вычисляет расстояние до стены.
Исследователи протестировали программу в пустой комнате простой конфигурации с передвижными стенами. Результаты были довольно точными, и тогда команда решила усложнить задачу: второй эксперимент они провели в Кафедральном соборе Лозанны. И даже в таких непростых условиях программа частично выдала довольно достоверные результаты. В дальнейшем учёные планируют увеличить число микрофонов, что должно помочь повысить точность моделирования.
Разработчики считают, что такому алгоритму найдётся применение во многих областях. "Программу могут использовать архитекторы для проектирования различных помещений, к примеру, концертных залов или аудиторий, где очень важны хорошие акустические характеристики", — говорит Докманич.
Вероятно, программе найдётся применение и в криминалистике. Иногда в руки полиции (и других подобных служб) попадают аудиозаписи, по звуковым сигналам которых с помощью нового алгоритма можно будет установить, в каком помещении они были сделаны. К тому же, если с помощью программы проанализировать звонок от человека, который ходит по комнате, можно будет понять, что это за комната.
И наконец, алгоритм может дополнить функции мобильного телефона. В некоторых помещениях, куда плохо проникают GPS-сигналы, можно будет вычислить информацию о своём местоположении. Учёные говорят, что всё это — лишь малая часть потенциального применения их нового алгоритма.
О результатах своей работы исследователи написали статью, опубликованную в журнале PNAS.
Также по теме:
Новая камера снимает объёмные изображения объектов, находящихся за углом
Создана видеокамера, записывающая триллион кадров в секунду
Слепой американец ориентируется в пространстве, как летучая мышь
