Основная задача при создании и обеспечении корректной работы сети из интеллектуальных устройств, например, камер для съемки какого-либо динамичного процесса, либо сети из датчиков, — это синхронизация часов. Все устройства, объединяемые в сеть, должны использовать одну и ту же временну́ю шкалу, причем в сложных задачах синхронизация должна обеспечиваться с точностью вплоть до долей миллисекунды. Современные смартфоны вполне могут выполнять функции универсальных датчиков в составе сети, однако, у них отсутствует аппаратный интерфейс для синхронизации времени, что создает дополнительные неудобства в зонах, где недоступен сигнал GPS, который также может выполнять роль эталонных часов. Любые часы, кроме самых точных, атомных часов, «медленно, но верно» рассинхронизируются, поэтому их приходится периодически заново синхронизировать.
«Сеть из смартфонов может функционировать как микрофонная решетка, регистрируя звуковые волны и собирая дополнительную информацию не только о самом звуке, но и о его направлении. Такая функция важна в задачах шумоподавления, алгоритмы шумоподавления пропускают сигнал только с заданного направления, например, выделяя голос человека из общего шума в офисной или городской среде», — рассказывает соавтор статьи, аспирант Сколтеха Марсель Файзуллин.
Системы микрофонов можно использовать и в так называемом методе трилатерации при помощи звука. Пользовательский смартфон генерирует ультразвуковой сигнал, который поступает на другие смартфоны, и по времени задержки между полученными сигналами определяется местоположение пользователя.
«Этот метод можно также использовать для программной синхронизации мобильных телефонов с аппаратными системами. Одно из таких применений — работа мобильного телефона с фотокамерой и вспышкой в составе системы для профессиональной фотосъемки», — добавляет доцент Гонзало Феррер.
Файзуллин, Феррер и их коллеги по Сколтеху в сотрудничестве с исследователями из Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) разработали метод синхронизации часов при помощи MEMS-гироскопов, без которых уже не обходится ни один современный смартфон. Разработанный метод ученые реализовали в виде программного алгоритма и провели эксперимент с одновременной фотосъемкой на два смартфона, продемонстрировав не только высокую точность в несколько микросекунд, но и более высокую производительность алгоритма по сравнению с существующими программными средствами.
«Такой точности вполне достаточно, чтобы при помощи нескольких смартфонов на платформе делать панорамные фотографии, например, с футбольного или хоккейного матча. Хоккейная шайба развивает скорость до 160 километров в час, за одну миллисекунду преодолевая расстояние приблизительно в 4 сантиметра, а за 20 микросекунд – 0,9 миллиметра. Это намного меньше, чем поле зрения одного пикселя профессиональной фотокамеры, а значит, этого вполне достаточно для синхронизации нескольких камер при съемке хоккейного матча. Точности, измеряемой микросекундами, более чем достаточно для любительской фото- и видеосъемки», — говорит Марсель Файзуллин.
Использовать алгоритм, работающий по принципу «twist and sync» («крути и синхронизируйся»), не сложно: достаточно взять смартфоны в одну руку и немного покрутить их, а все остальное — обработку данных и вычисления для синхронизации часов — сделает программа.
В дальнейших планах ученых — применение разработанного метода к системам, в состав которых входят не только смартфоны, но и другие датчики: лидары, камеры глубины и т.д.
«Эта задача гораздо сложнее, поскольку здесь речь идет уже не об однотипных смартфонах, а об устройствах с принципиально разным программным и аппаратным обеспечением. Мы продолжаем развивать наш метод в направлении расширения перспектив его практического использования», — отмечает в заключение Марсель Файзуллин.