美國(guó)斯坦福大學(xué)基于共焦擴(kuò)散光學(xué)層析成像（CDT）的研究可以“透視”隱藏物體。

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

對(duì)隱藏在散射介質(zhì)后面的物體精確成像，具有很多潛在應(yīng)用價(jià)值，吸引了廣泛研究。遙感、機(jī)器人視覺(jué)和自動(dòng)駕駛車(chē)輛都必須應(yīng)對(duì)被大氣中的霧、雨或揚(yáng)塵部分或完全遮蔽的物體，斯坦福大學(xué)的這項(xiàng)研究或能提供透過(guò)這些障礙物成像的新方法。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，這項(xiàng)研究成果展示了一種結(jié)合單光子雪崩二極管（SPAD）、超快脈沖激光器以及新算法，透過(guò)散射介質(zhì)捕捉三維形狀的技術(shù)，并已發(fā)表于《自然通訊》。

斯坦福大學(xué)計(jì)算成像小組的Gordon Wetzstein說(shuō)：“有許多成像技術(shù)可以使圖像更清晰，噪點(diǎn)更少，而我們的研究可以使隱藏的物體可見(jiàn)。這項(xiàng)技術(shù)可以推動(dòng)所有傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更多可能?！?br />
這項(xiàng)技術(shù)基于漫射光學(xué)層析成像（DOT），這是一種通過(guò)模擬光從照明源到位于散射區(qū)周?chē)?a target="_blank">探測(cè)器的擴(kuò)散來(lái)重建厚散射介質(zhì)中物體的方法。DOT很有吸引力，但通常局限于二維重建，或者需要計(jì)算量很大的數(shù)學(xué)模型來(lái)得出結(jié)果。

斯坦福大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出了一種新的技術(shù)，旨在復(fù)雜宏觀區(qū)域成像中超越DOT，它首先建模然后反轉(zhuǎn)穿過(guò)厚散射介質(zhì)、通過(guò)自由空間傳播到隱藏物體，然后通過(guò)厚散射介質(zhì)再次散射回來(lái)的光子散射。

據(jù)研究人員稱(chēng)，這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)顯式建模然后反轉(zhuǎn)散射過(guò)程的過(guò)程，可以將散射光子納入最終重建程序，從而在僅分析直接返回的彈道光子效率太低而無(wú)法有效工作的情況下實(shí)現(xiàn)成像。

該研究小組在其發(fā)表的論文中評(píng)論稱(chēng)：“我們的研究是將共焦掃描系統(tǒng)結(jié)合新興的高靈敏單光子皮秒級(jí)精確探測(cè)器以及新開(kāi)發(fā)的信號(hào)處理轉(zhuǎn)換相結(jié)合，提供一種模式化的硬件設(shè)計(jì)，為這種具有挑戰(zhàn)性的反轉(zhuǎn)問(wèn)題提供一種有效的近似解決方案。這種方法可以在相對(duì)較長(zhǎng)的距離以較低的計(jì)算復(fù)雜度運(yùn)行，適用于較大的、米級(jí)尺寸的成像?！?br />
在試驗(yàn)中，研究人員使用532 nm激光器發(fā)射35 ps脈沖，將該平臺(tái)用于對(duì)60 cm x 60 cm x 2.5 cm聚氨酯散射介質(zhì)后面的物體進(jìn)行成像。

脈沖激光與SPAD探測(cè)器共用一條光路，有效地創(chuàng)建了一個(gè)共焦捕獲過(guò)程，利用兩個(gè)掃描鏡在散射介質(zhì)上掃描激光。

然后SPAD捕捉從隱藏物體返回的光子，而較早到達(dá)的光子則被門(mén)控屏蔽。新開(kāi)發(fā)定制的計(jì)算方法隨后進(jìn)行反轉(zhuǎn)程序，以從返回光子中恢復(fù)隱藏物體的擴(kuò)散反射系數(shù)。

該平臺(tái)成功重建了隱藏的反射人體模型、字母形物體和一組交通錐的CDT圖像。根據(jù)隱藏物體的亮度不同，掃描操作需要在1分鐘~1小時(shí)左右，但該算法可以實(shí)時(shí)重建被遮擋的場(chǎng)景。

該團(tuán)隊(duì)的下一步研究將包括其他類(lèi)型的散射幾何體，例如嵌入密集散射材質(zhì)中的物體，類(lèi)似于被霧包圍的物體。

斯坦福大學(xué)的David Lindell評(píng)價(jià)稱(chēng)：“我們希望能夠在不依賴(lài)彈道光子的情況下，透過(guò)散射介質(zhì)成像，收集所有被散射的光子來(lái)重建圖像。這使得我們的系統(tǒng)特別適用于彈道光子非常少的大范圍應(yīng)用。”