Mapowanie wnętrza obiektu w 3D, przez ściany za pomocą sygnału Wi-Fi

Transmiter Wi-fi i dwa współpracujące ze sobą drony. Tyle potrzeba, aby stworzyć model 3D wnętrza budynku, bez potrzeby wprowadzania sprzętu do środka. Jak to możliwe?

Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornia w Santa Barbara zaprezentowali ostatnio dwa drony wyposażone w nadajniki Wi Fi, które w współpracując ze sobą potrafią wykonać dokładny model 3D wnętrza, przebijając się sygnałem przez ceglane ściany obiektu.
Tą nową technologie, którą można by nazwać super rentgenem zawdzięczamy dwóm osobom jakimi są Yasamin Mostofi i Chitra R. Karanam. Metoda ta, wykorzystująca do pomiaru jedynie Wi-Fi RSSI, nie wymaga żadnych wcześniejszych danych czy przygotowań związanych z mapowanym przez nas obiektem a właściwie jego wnętrzem.

Oto co zrobili ci dwaj zdolni naukowcy: Wykorzystując dwa drony oblecieli lotem synchronicznym, z zewnątrz, czteroboczny budynek, którego wymiary nie były wcześniej znane. Podczas gdy jeden UAV cały czas nadawał sygnał Wi-Fi, drugi rejestrował siłę odbieranego sygnału. Szczegółowy obraz wnętrza budowli w 3D mógł zostać stworzony na podstawie, pomiaru różnicy w sile sygnału, otrzymywanego przez drugiego drona.

RSSI oznacza Received Signal Strength Indicator – po polsku wskaźnik siły odbieranego sygnału. Jeden z dronów wysyła fale radiowe o częstotliwości 2.4 GHz drugi zaś z innej strony konstrukcji mierzy siłę sygnału. Naukowcy użyli dwóch dronów 3D Robotics RTF X8+ o wymiarach 40×40 cm i wadze 3.5 kg. W dużym skrócie, siła sygnału spadała w zależności od kształtu i wielkości a także gęstości napotkanej przeszkody. – wyjaśnia Mostofi

Mapowanie 3D jest znacznie bardziej skomplikowane niż mapowanie w 2D, to logiczne, gdyż do tego pierwszego wymaga się znacznie więcej danych. Zespół zatem, oszacował średni model fali a następnie przy pomocy równania Maxwell’a zdefiniował propagacje fal Wi-fi., dalej sygnał został skompresowany i przekształcony do formy obrazu.

Mapowanie 3D jest znacznie bardziej skomplikowane niż mapowanie w 2D, to logiczne, gdyż do tego pierwszego wymaga się znacznie więcej danych. Zespół zatem, oszacował średni model fali a następnie przy pomocy równania Maxwell’a zdefiniował propagacje fal Wi-fi., dalej sygnał został skompresowany i przekształcony do formy obrazu.

W tym momencie wypada przybliżyć czym są Woksle. Woksel to najmniejszy element przestrzeni w grafice trójwymiarowej w pewnym sensie odpowiednik piksela w grafice dwuwymiarowej. Tutaj wykorzystujemy Woksle do stworzenia modelu 3D wnętrza znajdującego się za ścianami budynku.

Dwa drony lecą zawsze równolegle do siebie wykonując lot w kształcie zygzaku. Cały czas unoszą się pod różnym kontem, aby jak najlepiej zobrazować kształt wnętrza za 10 centymetrowymi ścianami.

Nie jest jednak możliwe zdobycie 100% obrazu, gdyż zawsze nawet w niewielki stopniu w warunkach naturalnych, będą występowały mniejsze lub większe zakłócenia. Ten problem został jednak również rozwiązany. Bardzo małe braki w niektórych miejscach, zastępuje się sztucznie wygenerowanymi obrazami tak, aby wszystko stanowiło jednolitą całość. Polega to na „współpracy” pomiędzy poszczególnymi Wokslami i żmudnym dopracowywaniem obrazu. Najważniejsze, że metoda ta, jest już w większym stopniu dopracowana.

Przy pierwotnym zebraniu obrazu, część taka jak narożniki i inne bardziej dokładne miejsca, może być zniekształcona. W dalszym ciągu jednak nawet przy pierwszym pomiarze dokładność jest duża, przykładowo, ściana mierząca w rzeczywistości 1.48 m na obrazie ma 1.5 m. Taka mała różnica sprawia, że udoskonalenie tej metody skanowania to jedynie kwestią czasu.
Trzeba pamiętać, że to nie pierwszy raz, kiedy naukowcy próbują wykorzystać Wi Fi do obrazowania otoczenia. Jakiś czas temu grupa z MIT użyła Wi Fi do wykrycia ruchu człowieka za przeszkodą. Ale zespół z UC Santa Barbara jest pierwszy, który połączył tą metodę z dronami.

Pomimo udanego eksperymentu Mostofi ostrzega przed nadmiernym optymizmem. “Czeka nas bowiem jeszcze wiele prób”. Szczególnie jeśli chodzi o bardziej skomplikowane konstrukcje w różnych warunkach pogodowych. Nie mniej jednak, zaznacza, że przy powyższym eksperymencie udało im się otrzymać niemal, że perfekcyjne wyniki przy użyciu zaledwie 4% pomiarów Wi Fi. Wraz ze wzrostem ilości pomiarów, proporcjonalnie wzrastają możliwości technologii.

Jednym z przykładów zastosowań tego typu rozwiązania są akcje ratunkowe. Kiedy to służby takie jak straż pożarna czy policja potrzebują planów wnętrza budynku przed rozpoczęciem akcji. Wiele innych możliwości zastosowania znajdziemy również w przemyśle, budownictwie czy archeologii. Technologia ta wymaga oczywiście jeszcze sporo pracy i udoskonaleń, jednak mówimy tu o bardzo niedalekiej przyszłości.