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隔墙观物!我国科学家实现远距离非视域成像,有效范围从米级扩展到公里级

Evelyn Zhang

非视域(NLOS)成像,可以对隐藏在视线外的物体进行拍照,实现“视线拐弯”“隔墙观物”,它能从多次散射的间接光中,恢复隐藏场景的细节。这一技术有望在医学、机器人、制造和科学成像的变革等领域大展身手。

不过,尽管取得了一系列进展,但非视域成像技术仍停留在短程验证阶段——直接视线成像的光路,通常被限制在几米的范围内。

在他们的最新研究中,中国科学技术大学教授潘建伟、窦贤康、徐飞虎等带来了一个突破性的硬件和软件解决方案,将非视域成像范围从米级扩展到公里级——这个范围大约比以前的实验增长了三个数量级。相关成果,有望为非视域(NLOS)成像技术的发展和现实条件下的相关应用开辟道路。

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在光学系统方面,他们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,成功克服漫反射带来的160分贝光学衰减。

在软件与算法方面,他们采用了一个凸优化器(convex optimizer),配备了一个用三维矩阵表示的定制时空核,解决了多次漫反射所导致的时空混合问题。这些技术,使他们能够在1.43公里范围内演示非视域成像和实时跟踪隐藏物体。

将非视域成像扩展到远距离的主要障碍是信号强度、背景噪声和光学发散。由于三次反射和长时间对峙,远距离非视域(NLOS)成像的衰减是巨大的。此外,微弱的背反射信号与环境光混合,导致较差的信噪比(SNR)。阳光产生了环境噪声,近场大气的后向散射也会产生高噪声。而与LOS成像相比,非LOS成像更难忍受低信噪比。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。

中国科学技术大学团队从光学系统和重构算法出发,通过系统性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,从而克服了这些瓶颈。

3月4日,该成果以“Non–line-of-sight imaging over 1.43 km”为题,发表于美国《国家科学院院刊》(PNAS)上。

译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料:https://www.pnas.org/content/118/10/e2024468118


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