Подводные лодки используют сонары в течение десятилетий. Летучие мыши и дельфины используют их в течение миллионов лет. А благодаря некоторым математическим ухищрениям, люди скоро получат возможность пользоваться эхолокацией с помощью обычных мобильных телефонов.
Эксперты в области обработки сигналов из «École Polytechnique Fédérale de Lausanne» (EPFL), Швейцария, обнаружили математическую методику, которая позволяет обычным микрофонам «видеть» форму комнаты, улавливая ультразвуковые импульсы, которые отражаются от её стен. Материалы этого исследования были недавно опубликованы в журнале «Proceedings of the National Academy of Sciences».
Однако, микрофонная эхолокация сложнее, чем это может показаться. Фоновый шум, присутствующий в любой комнате, смешивается с нужными звуковыми импульсами, а эхо иногда отражается больше чем один раз. Также достаточно непросто определить, какое эхо отражается от какой стены.
Для того чтобы обеспечить возможность мобильной эхолокации, ведущий автор этого исследования Иван Докманич сделал следующее: он предположил, что каждое эхо — это источник звука, и создал матрицу различных расстояний. Затем с помощью продвинутых математических расчётов он сумел разработать алгоритм, который способен корректно группировать сигналы, чтобы определить форму комнаты.
Сперва команда экспериментировала с обычной комнатой и использовала набор микрофонов и ноутбук, чтобы проверить работоспособность алгоритма. Программа показала себя с лучшей стороны, и следующим шагом стали испытания внутри кафедрального собора.
«Это была совсем другая среда», говорит Докманич, добавляя, что в отличие от контролируемого лабораторного окружения, собор имеет огромное количество фоновых шумов и его пространство не идеально квадратной формы.
Алгоритм успешно справился со своей задачей и здесь, позволяя определить форму стен собора.
По словам профессора коммуникационных систем из EPFL и соавтора исследования Мартина Веттерли, благодаря использованию этой технологии в комбинации с мобильными телефонами, можно будет достаточно точно определять положение людей. Одной из проблем для точного определения положения является то, что лишь определённые частоты способны проникать сквозь стены зданий, поэтому сигналы GPS иногда оказываются бесполезны.
Более того, GPS не всегда точен – если имеется высокий уровень помех, телефон часто может сообщать вам, что не может определить ваше местоположение точнее, чем с погрешностью в полкилометра. Wi-Fi может справиться с этой работой, но он зависит от наличия местной сети.
Исследовательской команде удалось решить эту проблему, поскольку их эхолокационная система измеряет расстояние от той точки, где находится пользователь, до стен конкретной комнаты, и посылает в сеть более точную информацию о его местоположении. Вместо того чтобы знать, где внутри городского квартала находится человек, вы сможете увидеть, что он находится внутри комнаты определённого размера и формы.
Другим способом определить расстояние до стен является использование двух микрофонов мобильного аппарата. Многие телефоны имеют два микрофона – направленный микрофон используется, когда вы прижимаете аппарат к своей голове во время разговора, а другой используется для погашения фоновых шумов.
Два микрофона позволяют определить расстояние методом триангуляции – измерения малого временного разрыва между моментами, когда эхо достигает каждого из микрофонов. Расстояние между ними является основанием треугольника, а промежуток между временем прохождения сигнала говорит вам о длине двух других сторон.
Однако микрофоны телефона обычно находятся близко друг к другу, поэтому вычисление расстояния до источника звука таким способом достаточно сложно.
Одним из решений, по словам Веттерли, может стать использование тенденции людей ходить со своими телефонами. Поскольку вы не можете сделать сами телефоны крупнее, вам проще сделать замеры из нескольких разных точек во время ходьбы, таким образом сделав основание триангуляционного треугольника больше.