浙大校友直接操纵光来对抗墙壁散射，实现高分
浙大校友直接操纵光来对抗墙壁散射，实现高分辨率非视距成像
2022-07-11 18:28 来源: DeepTech深科技
原标题：浙大校友直接操纵光来对抗墙壁散射，实现高分辨率非视距成像
“这是我迄今为止看到使用波前整形实现非视距成像的最成功的例子。”“这是一个非常令人兴奋的技术，该工作一定能带动更多在非视距成像上的进展。”对于浙大校友曹睿智研发的非视距成像技术，两位审稿人均表示认可。
这项技术在无人驾驶、搜救等方面具备潜在应用价值。概括来说，他和所在团队首次在几乎无需任何先验信息的条件下，将光聚焦到非视距物体上，在无需任何图像重构算法的情况下，实现了高分辨率的非视距物体的成像。
曹睿智坦言，由于该技术和现阶段主流的飞行时间法完全不一样，所以他们早期并没有项目的基金支持。不过，后来学校看到了该技术的新颖之处，从而让其有机会一步步探索这项技术，并在最终呈现给公众。
近日，相关论文以《采用主动聚焦的高分辨率非视距成像》（High-resolution non-line-of-sight imaging employing active focusing）为题，发表在 Nature Photonics 上。曹睿智担任第一作者，加州理工学院 Thomas G. Myers 电气工程、生物工程和医学工程教授 Changhuei Yang 担任通讯作者。
据介绍，经由散射介质进行成像，是一个热门研究方向。非视距成像，则是其中一个兼具挑战性和趣味性的方向。视距，是指人眼能直接清楚看到的范围；非视距，则指人眼无法直接看到的范围。
简单来说，如果人和物体处在两个不同的房间，由于墙壁的阻挡人眼无法直接看到另一个房间的物体。但是，照射在另一个房间的物体上的光线，能在通过一面墙之后散射到眼中。然而，由于墙壁的散射，我们无法看清另一个房间的物体。而非视距成像希望借助于墙壁散射的光，对另一个房间的物体进行成像。
因此，要想得到可见光波段的非视距物体的照片，看似“难于上青天”。但是。最近十几年的研究表明，可通过测量光线走过的路径或者飞行时间（Time-of-flight, ToF）对物体进行重构。
另一种方法则是通过散射介质本征的相关性，即假如两束同颜色的光照射到墙壁的同一位置，且这两束光入射角度非常接近的时候，此时散射后得到的图像也会非常相似，这种效应叫做散射的记忆效应。通过这种相关性，隐藏物体也能得到重构。
这两种方法改变了人们的认知，实现了对于非视距物体的重构。但是，这两种方法都需要借助算法，从被测到的信号里重构图片信息，但这种重构并不简单。
所以，在使用这两种主流方法得到的图片里，往往伴随着伪像，即重构的图片中多出了与实际物体不符的形状/结构。
其中，在第二种方法里，即通过记忆效应、以及自相关/互相关进行重构的方法，往往只能对非常简单的物体进行成像。
所以，现阶段主流手段主要依赖于飞行时间。此外，尽管深度学习（Deep Learning，DL）能在一定程度上减轻伪像问题。但是，它高度依赖于训练集，对于和训练集完全不相似的物体，机器学习的效果无法得到保障。
那么，为何这些问题在传统成像中不存在？在传统成像中，人们利用透镜直接将物体上的光汇集在探测器上。比如我们利用眼睛看物体的时候，眼睛的晶状体是一个透镜，而视网膜等价于探测器。
在传统成像中，由于透镜的作用，我们能将物体上的一个点投射到探测器的一点上，所以能直接测量某一个点的信息，而无需从错综复杂的信号中通过计算提取该点的信息。
在此次研究中，该团队希望实现更接近于传统成像的方法。为此，他们利用墙壁将光聚焦，聚焦后的焦点仅仅照射到物体上的一点，即实现传统成像中的点对点测量。
接下来，他们需要将被散射之后的光重新聚焦。这时，一个很自然的问题“扑面而来”，能否聚焦散射光？
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