傳統(tǒng)成像的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)讓科學(xué)家們可以看到角落

除了飛行和隱形之外，每個孩子的超級超級大國名單中的最高位置是能夠透過墻壁或其他視覺障礙物?，F(xiàn)在，這種能力向現(xiàn)實(shí)邁進(jìn)了一大步，因?yàn)閬碜酝箍敌谴髮W(xué)麥迪遜分校和西班牙薩拉戈薩大學(xué)的科學(xué)家借鑒了經(jīng)典光學(xué)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，已經(jīng)證明可以使用預(yù)測的“隱藏場景”來對其進(jìn)行成像。虛擬相機(jī)“看看周圍的障礙。

該技術(shù)在今天(2019年8月5日)的“ 自然 ”雜志的一份報(bào)告中有所描述。一旦完善，它可以用于廣泛的應(yīng)用，從防御和救災(zāi)到制造和醫(yī)學(xué)成像。這項(xiàng)工作主要由軍方通過國防部的高級研究計(jì)劃局(DARPA)和航空航天局提供資金，航空航天局將這項(xiàng)技術(shù)設(shè)想為在月球和火星上隱藏洞穴的潛在方式。

實(shí)現(xiàn)科學(xué)家稱之為“非視距成像”的技術(shù)已經(jīng)開發(fā)多年，但技術(shù)挑戰(zhàn)限制了他們對簡單場景的模糊圖像。新方法可以克服的挑戰(zhàn)包括成像更復(fù)雜的隱藏場景，看到多個角落和拍攝視頻。

“這種非視距成像已經(jīng)存在了一段時間，”威斯康星大學(xué)醫(yī)學(xué)與公共衛(wèi)生學(xué)院生物統(tǒng)計(jì)學(xué)和醫(yī)學(xué)信息學(xué)教授，新自然研究的資深作者安德里亞斯威爾滕說。“它有很多不同的方法。”

Velten說，非線性視覺成像的基本思想是圍繞使用間接的反射光，各種光回波，來捕捉隱藏場景的圖像。來自數(shù)千個激光脈沖的光子從墻壁或另一個表面反射到模糊的場景，并且反射的漫射光反彈回連接到相機(jī)的傳感器。然后使用重新捕獲的光粒子或光子以三維方式數(shù)字地重建隱藏的場景。

“我們向表面發(fā)出光脈沖并看到光線回來，從中我們可以看到隱藏場景中的內(nèi)容，”Velten解釋道。

其他研究小組最近的工作重點(diǎn)是利用單個物體的小場景，在受控條件下提高場景再生質(zhì)量。新的自然報(bào)告中提出的工作超越了簡單的場景，并解決了現(xiàn)有非視線成像技術(shù)的主要局限，包括不同材料質(zhì)量的墻壁和隱藏物體的表面，不同隱藏的亮度變化很大物體，隱藏場景中物體之間的光的復(fù)雜相互反射，以及用于重建較大場景的大量噪聲數(shù)據(jù)。

這些挑戰(zhàn)共同阻礙了新興的非視距成像系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。

Velten和他的同事，包括薩拉戈薩大學(xué)的迭戈古鐵雷斯，通過應(yīng)用與傳統(tǒng)視距成像系統(tǒng)拍攝的相同數(shù)學(xué)解釋，通過更傳統(tǒng)的棱鏡來解決問題。這種新方法超越了單一重建算法的使用，并描述了一類具有獨(dú)特優(yōu)勢的新型成像算法。

古鐵雷茲指出，傳統(tǒng)系統(tǒng)將衍射光解釋為波，通過將公知的數(shù)學(xué)變換應(yīng)用于傳播通過成像系統(tǒng)的光波，可以將其成形為圖像。

在非視距成像的情況下，Velten說，對隱藏場景進(jìn)行成像的挑戰(zhàn)是通過將非視距成像問題重新擬合為波衍射問題然后使用眾所周知的數(shù)學(xué)來解決的。從其他成像系統(tǒng)轉(zhuǎn)換以解釋波并重建隱藏場景的圖像。通過這樣做，新方法將任何漫射墻變成虛擬相機(jī)。

“我們所做的就是利用波浪來表達(dá)問題，”Velten說，他還在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的電氣和計(jì)算機(jī)工程系以及生物統(tǒng)計(jì)學(xué)和醫(yī)學(xué)信息學(xué)系任教，并且隸屬于Morgridge研究所和威斯康星大學(xué)麥迪遜光學(xué)和計(jì)算儀器實(shí)驗(yàn)室。“系統(tǒng)具有相同的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)，但我們發(fā)現(xiàn)，即使使用非常糟糕的數(shù)據(jù)，我們的重建也非常強(qiáng)大。你可以用更少的光子來完成。”

使用這種新方法，Velten的團(tuán)隊(duì)表明，盡管場景復(fù)雜性，反射器材料的差異，散射的環(huán)境光以及構(gòu)成場景的物體的不同景深，也可以對隱藏的場景進(jìn)行成像。

將相機(jī)從一個表面投影到另一個表面的能力表明，該技術(shù)可以發(fā)展到可以看到多個角落的位置：“這應(yīng)該允許我們圍繞任意數(shù)量的角落進(jìn)行成像，”Velten說。“要做到這一點(diǎn)，光線必須經(jīng)歷多次反射，問題是如何分離來自不同表面的光線?這個'虛擬相機(jī)'可以做到這一點(diǎn)。這就是復(fù)雜場景的原因：有多次反彈和我們拍攝的場景的復(fù)雜程度大于之前所做的。“

根據(jù)Velten的說法，該技術(shù)可用于創(chuàng)建任何成像系統(tǒng)的虛擬投影版本，甚至可以捕捉光線通過隱藏場景傳播的攝像機(jī)。事實(shí)上，Velten的團(tuán)隊(duì)使用這項(xiàng)技術(shù)在隱藏的場景中創(chuàng)建了一個光傳輸視頻，使得可以將光線反射四到五次，根據(jù)威斯康星科學(xué)家的說法，它可以成為相機(jī)看到周圍的基礎(chǔ)。不止一個角落。

如果可以設(shè)計(jì)傳感器陣列來捕獲從隱藏場景反射的光，則可以進(jìn)一步且顯著地改進(jìn)該技術(shù)。新Nature論文中描述的實(shí)驗(yàn)僅依賴于一個探測器。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，該技術(shù)為機(jī)器人手術(shù)等事業(yè)帶來了希望?，F(xiàn)在，例如，在對眼睛進(jìn)行敏感手術(shù)時，外科醫(yī)生的視野受到限制，而Velten團(tuán)隊(duì)開發(fā)的技術(shù)可以更全面地了解手術(shù)周圍的情況。

除了幫助解決非視距成像的許多技術(shù)挑戰(zhàn)之外，Velten指出，該技術(shù)既可以既便宜又緊湊，這意味著實(shí)際應(yīng)用只是時間問題。