中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉、竇賢康、徐飛虎等在國(guó)際上實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了1.43公里的遠(yuǎn)距離非視域成像，首次將成像距離從米級(jí)提高到公里級(jí)，為非視域成像技術(shù)的開拓及在實(shí)際場(chǎng)景中的應(yīng)用開辟了新道路。該成果于2021年3月4日發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)知名期刊《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上[PNAS 118, e2024468118 (2021)]。
成像是一個(gè)古老而又常新的話題，從墨子的小孔成像、伽利略的觀星望遠(yuǎn)鏡，到現(xiàn)代的激光雷達(dá)、核磁共振等，各類成像技術(shù)為人類觀察世界和探索未知提供了有力工具。然而，這些傳統(tǒng)成像技術(shù)都是對(duì)視域內(nèi)的物體進(jìn)行觀測(cè)，即成像的對(duì)象必須在觀察者視線內(nèi)。受限于一定范圍的視場(chǎng)，大量充斥在視場(chǎng)以外的視覺(jué)信息是傳統(tǒng)成像技術(shù)無(wú)法被捕捉到的。非視域成像技術(shù)（Non-line-of-sight imaging）能夠?qū)﹄[藏在視線外的物體進(jìn)行拍照，實(shí)現(xiàn)“隔墻觀物”，極大地拓展了人類的成像能力?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在不遠(yuǎn)的未來(lái)，非視域成像技術(shù)將在醫(yī)療檢測(cè)、智能駕駛、軍事偵察等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的應(yīng)用價(jià)值。
光學(xué)非視域成像的實(shí)現(xiàn)過(guò)程通常是將激光脈沖發(fā)射到中介墻上，利用中介墻使激光散射到被遮擋的非視域場(chǎng)景中，該場(chǎng)景中的隱藏物體再次將激光散射到中介墻上，最后被中介墻散射至接收系統(tǒng)。整個(gè)過(guò)程激光經(jīng)歷了三次漫反射，通過(guò)記錄光量子的飛行時(shí)間信息（Time-of-flight），并利用計(jì)算成像算法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)非視域場(chǎng)景的重構(gòu)。然而，由于激光經(jīng)過(guò)多次漫反射，整個(gè)光路存在巨大的衰減，使得非視域成像目前僅在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行短距離的原理性驗(yàn)證；此外，多次漫反射導(dǎo)致的時(shí)空信息混雜，使得成像算法成為一個(gè)科研難題。
在該項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)從光學(xué)系統(tǒng)和重構(gòu)算法同時(shí)出發(fā)，通過(guò)系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)距離成像解決方案，發(fā)展高效率、低噪聲的非視域成像系統(tǒng)以及高效的成像算法，將非視域成像的距離從米級(jí)提高到公里級(jí)，相比先前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提升了三個(gè)數(shù)量級(jí)。在光學(xué)系統(tǒng)方面，研究團(tuán)隊(duì)基于雙望遠(yuǎn)鏡共焦光學(xué)設(shè)計(jì)，開發(fā)了一套近紅外波長(zhǎng)的高效率非視域成像系統(tǒng)，成功克服了漫反射帶來(lái)的160dB光學(xué)衰減。在算法方面，研究團(tuán)隊(duì)采用凸優(yōu)化算法，并結(jié)合精確的成像模型和壓縮感知等成像理論，解決了多次漫反射所導(dǎo)致的時(shí)空混合問(wèn)題，成功實(shí)現(xiàn)非視域圖像重構(gòu)。最終，基于成像技術(shù)和算法的突破，該項(xiàng)工作成功在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了對(duì)1.43公里外的非視域場(chǎng)景進(jìn)行成像以及對(duì)隱藏的物體進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。
這項(xiàng)工作為非視域成像的實(shí)用化研究開辟了一條嶄新的道路?！睹绹?guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》雜志的審稿人一致對(duì)該工作給予高度評(píng)價(jià)，稱贊“這一結(jié)果代表非視域成像領(lǐng)域的最佳結(jié)果”（the results represent the best results in NLOS imaging）、“這項(xiàng)工作給我留下了深刻的印象，因?yàn)樗拐麄€(gè)非視域成像領(lǐng)域在實(shí)際環(huán)境中的應(yīng)用邁出了一大步”（I am impressed by this work as it makes a big step forward for this community in demonstrating NLOS imaging "in the wild"）。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士后吳騁、博士生劉健江和黃鑫是本論文的共同第一作者。該工作得到科技部、基金委、中科院、安徽省和上海市等部門的資助和支持。
圖1：遠(yuǎn)距離非視域成像實(shí)驗(yàn)裝置圖：A.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)拓?fù)?，B.光學(xué)系統(tǒng)，C.隱藏場(chǎng)景示意，D. 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物，E. 隱藏場(chǎng)景遠(yuǎn)景，F(xiàn). 隱藏場(chǎng)景近景，G.隱藏場(chǎng)景實(shí)物。
圖2：非視域成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖：A.原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，B.算法重構(gòu)結(jié)果。
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