中国科大实现远距离非视域成像

2021年03月05日

中国科大实现远距离非视域成像

中国科学技术大学教授潘建伟、窦贤康、徐飞虎等在国际上实验实现了1.43公里的远距离非视域成像，首次将成像距离从米级提高到公里级，为非视域成像技术的开拓及在实际场景中的应用开辟了新道路。该成果于2021年3月4日发表在国际学术知名期刊《美国国家科学院院刊》上[PNAS 118, e2024468118 (2021)]。

成像是一个古老而又常新的话题，从墨子的小孔成像、伽利略的观星望远镜，到现代的激光雷达、核磁共振等，各类成像技术为人类观察世界和探索未知提供了有力工具。然而，这些传统成像技术都是对视域内的物体进行观测，即成像的对象必须在观察者视线内。受限于一定范围的视场，大量充斥在视场以外的视觉信息是传统成像技术无法被捕捉到的。非视域成像技术（Non-line-of-sight imaging）能够对隐藏在视线外的物体进行拍照，实现“隔墙观物”，极大地拓展了人类的成像能力。可以预见，在不远的未来，非视域成像技术将在医疗检测、智能驾驶、军事侦察等诸多领域发挥着重要的应用价值。

光学非视域成像的实现过程通常是将激光脉冲发射到中介墙上，利用中介墙使激光散射到被遮挡的非视域场景中，该场景中的隐藏物体再次将激光散射到中介墙上，最后被中介墙散射至接收系统。整个过程激光经历了三次漫反射，通过记录光量子的飞行时间信息（Time-of-flight），并利用计算成像算法可以实现对非视域场景的重构。然而，由于激光经过多次漫反射，整个光路存在巨大的衰减，使得非视域成像目前仅在实验室内进行短距离的原理性验证；此外，多次漫反射导致的时空信息混杂，使得成像算法成为一个科研难题。

在该项工作中，研究团队从光学系统和重构算法同时出发，通过系统性的设计远距离成像解决方案，发展高效率、低噪声的非视域成像系统以及高效的成像算法，将非视域成像的距离从米级提高到公里级，相比先前的实验结果提升了三个数量级。在光学系统方面，研究团队基于双望远镜共焦光学设计，开发了一套近红外波长的高效率非视域成像系统，成功克服了漫反射带来的160dB光学衰减。在算法方面，研究团队采用凸优化算法，并结合精确的成像模型和压缩感知等成像理论，解决了多次漫反射所导致的时空混合问题，成功实现非视域图像重构。最终，基于成像技术和算法的突破，该项工作成功在现场环境下实现了对1.43公里外的非视域场景进行成像以及对隐藏的物体进行实时跟踪。

这项工作为非视域成像的实用化研究开辟了一条崭新的道路。《美国国家科学院院刊》杂志的审稿人一致对该工作给予高度评价，称赞“这一结果代表非视域成像领域的最佳结果”（the results represent the best results in NLOS imaging）、“这项工作给我留下了深刻的印象，因为它使整个非视域成像领域在实际环境中的应用迈出了一大步”（I am impressed by this work as it makes a big step forward for this community in demonstrating NLOS imaging "in the wild"）。

中国科学技术大学博士后吴骋、博士生刘健江和黄鑫是本论文的共同第一作者。该工作得到科技部、基金委、中科院、安徽省和上海市等部门的资助和支持。

论文链接： https://www.pnas.org/content/118/10/e2024468118

图1：远距离非视域成像实验装置图：A.现场实验拓扑，B.光学系统，C.隐藏场景示意，D. 实验装置实物，E. 隐藏场景远景，F. 隐藏场景近景，G.隐藏场景实物。

图2：非视域成像实验结果图：A.原始实验数据，B.算法重构结果。

(合肥微尺度物质科学国家研究中心、中科院量子信息与量子科技创新研究院、科研部)

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这项工作给我留下了深刻的印象，因为它使整个非视域成像领域在实际环境中的应用迈出了一大步