Визуальный микрофон слушает, используя свет вместо звука

Электроника

Редакция сайта «Технологические инновации» — 1 августа 2025 г.

Схема системы обнаружения звука с использованием недорогого визуального микрофона. PDA — это однопиксельный датчик, фотодиод. DMD — это цифровое микрозеркало, коммерчески доступный компонент. [Изображение: Сюй-Жи Яо/Пекинский технологический институт]

Визуальный микрофон

Исследователи создали микрофон, который слушает с помощью света, а не напрямую улавливает звук.

В отличие от обычных микрофонов, этот визуальный микрофон улавливает мельчайшие вибрации на поверхности объектов, вызванные звуковыми волнами, а затем 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», — сказал профессор Сюй-Жи Яо из Пекинского технологического института в Китае. «Если есть путь для света, передача звука не обязательна».

Это настоящее технологическое чудо, но оно также напоминает нам, что конфиденциальность становится всё более недостижимой проблемой. Однако команда уверяет, что фотонный микрофон можно использовать и во благо.

«Новые технологии могут изменить способы записи и мониторинга звука, открыв новые возможности для многих областей, таких как мониторинг окружающей среды, безопасность и промышленная диагностика», — сказал Яо. «Например, станет возможным поговорить с человеком, находящимся в замкнутом пространстве, например, в комнате или в транспортном средстве».

Исследователи реконструировали аудиосигналы, визуализируя вибрацию бумажной карты (ac). Результаты были улучшены с помощью фильтра обработки сигнала для усиления высокочастотной составляющей (df). [Изображение: Сюй-Жи Яо/Пекинский технологический институт]

Слышать звук с помощью света

Хотя было разработано несколько методов обнаружения звука с помощью света, эти решения требуют сложного оптического оборудования, такого как лазеры или высокоскоростные камеры. Идея заключалась в использовании вычислительного метода визуализации, известного как однопиксельная визуализация, для разработки более простого и экономичного подхода, который сделает технологию оптического обнаружения звука более доступной.

Вместо миллионов пикселей, как в традиционных камерах, однопиксельная съемка позволяет получать изображения с помощью всего одного фотодетектора — одного пикселя. Это исключает возможность записи всего изображения сразу, но устройство компактнее, проще и потенциально обладает гораздо большей чувствительностью.

Для этого свет в кадре модулируется с помощью структурированных, изменяющихся во времени шаблонов. Это реализуется с помощью устройства, называемого пространственным модулятором света . Датчик — отдельный пиксель — измеряет количество света, модулированного для каждого шаблона. Затем компьютер использует эти измерения для реконструкции информации о снимаемом объекте.

Чтобы применить этот метод однопиксельной визуализации к обнаружению звука, команда использовала высокоскоростной пространственный модулятор света, способный кодировать свет, отраженный поверхностью, подвергающейся звуковому воздействию. Колебательное движение поверхности, вызванное звуком, вызывает едва заметные изменения интенсивности отраженного света, которые регистрируются однопиксельным детектором.

Но поскольку фотографирование объекта не является целью, изменения, обнаруженные в свете, декодируются в слышимый звук.

«Сочетание однопиксельной визуализации с методами локализации на основе преобразования Фурье позволило нам добиться высококачественного обнаружения звука, используя более простое оборудование и меньшие затраты», — сказал Яо. «Наша система позволяет обнаруживать звук с помощью обычных предметов, таких как бумажные карточки и листы, при естественном освещении и не требует, чтобы вибрирующая поверхность отражала свет определённым образом».

Лист бумаги тоже подойдёт, но с немного худшим результатом, чем обычная бумага. [Изображение: Вэй Чжан и др. - 10.1364/OE.565525]

Тесты и мало данных

Чтобы продемонстрировать работу нового визуального микрофона, исследователи проверили его способность восстанавливать произношение цифр на китайском и английском языках, а также отрывка из «К Элизе» Бетховена.

В качестве объектов вибрации использовались бумажная карточка и лист растения, расположенные на расстоянии 0,5 метра друг от друга, в то время как находящийся рядом динамик воспроизводил звук.

Система восстановила чёткий и разборчивый звук, причём бумажная карточка показала лучшие результаты, чем фольга. Низкочастотные звуки ниже 1 кГц были восстановлены точно, в то время как высокочастотные звуки выше 1 кГц демонстрировали небольшие искажения, хотя фильтр обработки сигнала улучшил результаты.

Ещё одним преимуществом использования однопиксельного детектора для регистрации информации об интенсивности света является 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 — в ходе тестирования скорость передачи данных составляла 4 МБ/с.

Другие новости о:

Больше тем