科学者は影を撮影することで物体を再現する

ヴィヴェック・ゴヤルさんはプロの写真家ではないが、彼と彼の同僚たちは興味深いパーティートリックを開発した。それは、完全に視界の外にある物体の画像を撮影できるということだ。

彼らは、ゴヤル氏が電気工学の教授を務めるボストン大学のキャンパス内の窓のない部屋で、このトリックを実演した。部屋のフラットスクリーンモニターには、ゴヤル氏の大学院生チャールズ・サンダース氏が描いた一連の下書きが映し出されていた。その中には傑作がいくつかあった。マリオカートのキノピオに似たキノコ、赤い野球帽を横向きにかぶったシンプソンズ風の黄色い男、学校の誇りを表す赤い文字「BU」などだ。ゴヤル氏と彼のチームは、カメラのレンズを全く別の方向に向けながら、これらの画像を撮影しようとした。

暗くした部屋の中で、画面のちらつきが反対側の壁にぼんやりとしたぼやけた影を作り出した。サンダースは三脚に取り付けたカメラで、そのぼやけた影を3秒間の露出時間で20枚撮影し、その画像をコンピュータープログラムに入力した。数分後――ほら、少し斜めに傾いたヒキガエルのぼやけた画像が画面に現れた。

「これは魔法ではありません」とゴヤル氏は、誰かが混乱した場合に備えて私に言った。

水曜日にNature誌に掲載された論文で彼が説明しているように、これは実際には法医学に近い。スクリーンが壁に向かって光を吐き出し、カメラがその混乱した余波を記録する。光が物理法則に従って予測可能な経路をたどるという事実を利用し、研究者たちは光線の軌跡を辿り、スクリーン上に映っていたものを再現するアルゴリズムを設計した。理論的には、スクリーンだけでなく、同じ部屋にある薄暗い物体であれば何でも撮影できる。

彼らの研究は、角を曲がった先を監視できるカメラ（非視線カメラとも呼ばれる）の設計を目指す、より大規模な取り組みの一環です。これらのデバイスは、将来的には自動運転車の衝突回避、消防士による火災現場からの救出、あるいは政府による敵対勢力へのスパイ活動などに役立つ可能性があります。

しかし、従来の装置は高価なハードウェア、例えばパルスレーザーや極めて高感度の検出器を必要としていました。これに対し、ゴヤル氏の装置では、市販の4メガピクセルデジタルカメラ（価格は約1,400ドル）を使用しました。これは、彼のチームの推定によると、従来の装置よりも少なくとも30倍安価です。「状況によっては高価なセンサーが本当に必要ないということを実証しました」と、スタンフォード大学の電気工学者ゴードン・ウェッツスタイン氏は述べています。ウェッツスタイン氏は今回の研究には関わっていませんが、レーザーを使った同様のカメラを開発しています。

非常にシンプルなハードウェアと、それほど多くの計算能力を必要としないアルゴリズムを備えたこの技術は、人々が思いついただけでも5年、10年前に実現可能だったかもしれない。「発明というより、発見に近い気がします」とゴヤル氏は言う。

興味深いことに、隠された物体を撮影する鍵は、その一部を遮ることです。ゴヤル氏のチームは、スクリーンの前にある金属製のスタンドに黒い発泡スチロール板を貼り付けました。発泡スチロール板は壁に影を落とし、影はコンピューターアルゴリズムにより多くの情報を提供します。夜に近所を散歩していると、周囲の街灯によって地面に自分の影がいくつも落ちているのが見えるのを想像してみてください。もし望むなら、自分の影の向きを見れば、すべての街灯の位置を計算することができます。影がなければ、街灯の位置を特定するのははるかに困難です。ゴヤル氏によると、ヒキガエルの復元は街灯の位置を測る作業のより複雑なバージョンです。

この研究は、2017年にMITが行った、角の壁の後ろを歩く人々の影を記録した研究に基づいています。この研究では、薄暗い影を使って人々の動きを追跡できることが示されました。しかし、当時は分かりやすい画像を撮影できませんでした。今回、ゴヤル氏のチームは、はるかに高解像度の画像を、しかも初めてカラーで撮影することに成功しました。「これは本当に新しい分野で、急速に進歩しています」とサンダース氏は言います。

専門家たちは、その多様な応用の可能性に期待を寄せています。ゴヤル氏は、ロボットにカメラを取り付けて操縦を補助できると述べています。自動運転車の安全性向上にも役立つでしょう。ウェッツスタイン氏は医療画像撮影について言及し、「腫瘍の検出や骨の周囲を見るのに使えるでしょう」と述べています。

そして、政府の監視強化にもつながります。ゴヤル氏とウェッツスタイン氏の研究は、DARPAのRevealプログラムを通じて資金提供を受けています。Revealプログラムは、非常に少ない光量で画像を生成する方法の研究を支援しています。ゴヤル氏やウェッツスタイン氏の技術をベースにしたカメラは、将来的にはドローンに搭載され、スパイ活動に利用されるようになるかもしれません。

しかし、早合点してはいけない、とウェッツスタイン氏は言う。この技術がどれだけうまく機能するかはまだ検証段階だ。画像はまだピクセル化が粗すぎて、多くの用途には使えない。また、研究者たちは管理された実験室環境では角の先まで見ることができるものの、最初のプロトタイプ機が完成するまでには、まだ10年ほどかかると彼は言う。カメラは障壁の向こうからトードを捉えることはできるが、顔を判別できるほどの精度ではない。まだだ。

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