Учёные создали визуальный микрофон, который «слушает» с помощью света

Исследователи разработали недорогую систему визуального микрофона на основе однопиксельной визуализации. Автор: Сюй-Жи Яо, Пекинский технологический институт

Учёные создали микрофон, который «слушает» с помощью света, а не звука. В отличие от традиционных микрофонов, этот визуальный микрофон фиксирует крошечные вибрации на поверхностях объектов, вызванные звуковыми волнами, и преобразует их в аудиосигналы.

«Наш метод упрощает и удешевляет использование света для захвата звука, а также позволяет применять технологию в сценариях, где обычные микрофоны неэффективны — например, при разговоре через стеклянное окно», — пояснил руководитель исследовательской группы Сюй-Жи Яо из Пекинского технологического института. «Достаточно, чтобы свет мог проходить через поверхность — передача звука не обязательна».

В журнале Optics Express учёные описали новый подход, впервые применив однопиксельную визуализацию для обнаружения звука. Используя оптическую установку без дорогостоящих компонентов, они показали, что технология может восстанавливать звук по вибрациям на поверхностях обычных предметов — например, листьев или листов бумаги.

«Эта технология может изменить способ записи и мониторинга звука, открывая новые возможности в таких областях, как экологический мониторинг, безопасность и промышленная диагностика», — отметил Яо. «Например, она позволит общаться с человеком, находящимся в закрытом пространстве, таком как комната или транспортное средство».

Исследователи успешно восстановили аудиосигналы, фиксируя вибрации бумажной карточки (a-c). Они применили фильтр обработки сигнала для улучшения высокочастотной составляющей (d-f). Автор: Сюй-Жи Яо, Пекинский технологический институт

Упрощение системы

Хотя для обнаружения звука с помощью света уже использовались различные методы, они требовали сложного оптического оборудования, такого как лазеры или высокоскоростные камеры. В новой работе исследователи применили метод вычислительной визуализации — однопиксельную съёмку — чтобы создать более простую и дешёвую альтернативу.

Однопиксельная визуализация захватывает изображения с помощью всего одного светового детектора (пикселя) вместо традиционной камеры с миллионами пикселей. Сцена освещается структурированными паттернами через пространственный модулятор света, а детектор фиксирует интенсивность отражённого света. Компьютер затем восстанавливает информацию об объекте на основе этих измерений.

Для обнаружения звука команда Яо использовала высокоскоростной модулятор света, чтобы закодировать отражение от вибрирующей поверхности. Звуковые колебания вызывали изменения интенсивности света, которые фиксировались детектором и декодировались в аудиосигнал. Для точного измерения микровибраций применялись методы локализации на основе преобразования Фурье.

«Сочетание однопиксельной визуализации с методами Фурье-локализации позволило нам достичь высокого качества звукозаписи с более простым и дешёвым оборудованием», — пояснил Яо. «Наша система работает с обычными предметами вроде бумаги или листьев, при естественном освещении и не требует специального отражения света».

Ещё одно преимущество однопиксельного детектора — небольшой объём данных, что позволяет сохранять или передавать их в реальном времени для длительной записи.

Захват звука

Чтобы продемонстрировать работу визуального микрофона, исследователи восстановили произношение чисел на китайском и английском, а также фрагмент «К Элизе» Бетховена. В качестве объектов использовались бумажная карточка и лист, расположенные в 0,5 метра от динамика.

Система успешно восстановила чёткий и разборчивый звук, причём бумажная карточка показала лучшие результаты, чем лист. Низкие частоты (<1 кГц) воспроизводились точно, а высокие (>1 кГц) имели небольшие искажения, которые устранялись фильтром. Скорость записи составила 4 МБ/с, что позволяет вести длительную запись без перегрузки памяти.

«Пока технология существует только в лаборатории и может применяться в особых случаях, где обычные микрофоны не работают», — отметил Яо. «Мы планируем адаптировать систему для других применений, включая измерение пульса и сердечного ритма, используя её мультифункциональные возможности».

Сейчас команда работает над повышением чувствительности и точности системы, а также над её миниатюризацией для повседневного использования. Ещё одна цель — увеличение дальности действия для надёжного обнаружения звука на расстоянии.

Подробнее: Wei Zhang et al, A visual microphone based on computational imaging, Optics Express (2025). DOI: 10.1364/OE.565525, opg.optica.org/oe/abstract.cfm … oi=10.1364/OE.565525

Источник: Optica