成像专题 | 共聚焦散射层析实现透视成像 (Nature Communications)

共聚焦散射层析实现透视成像 (Nature Communications)

 Confocal Diffuse Tomography

本期导读

光学成像技术，例如近几年一直处于学术研究和产业应用热门方向的光检测和测距（LiDAR），是遥感、机器人视觉、以及自动驾驶中必不可少的工具。经过数年的研究发展，非视距成像（non-line-of-sight imaging）已经得到了长足进步。现在很多技术方案都可以帮助我们发现例如经典的隐藏于拐角场景的物体。然而，散射现象的存在很难避免，其对我们在雾、雨、灰尘或大气中成像的能力构成了根本限制。通过散射介质成像的常规方法通常需要在微观尺度上实现，或者需要已获取成像的目标位置的先验知识。一言蔽之，有效地实现透视成像依然是学术研究的一大挑战。

来自斯坦福大学计算成像实验室的研究人员提出了一种协同设计思路，综合考虑单光子雪崩二极管（SPAD），超快脉冲激光器技术（Ultra-fast laser），以及一种通过散射介质捕获3D形状的逆问题处理方法。该研究工作近期以论文《Confocal Diffuse Tomography》发表于顶级学术期刊《自然|通讯》，非常值得关注。

技术路线

作为计算成像的代表性工作，该方案充分发挥了光电子器件物理层面的表现力和算法软件层面的解析和重组力。实验结果证明了在宏观尺度上隐藏在厚散射体（≈6倍运输平均自由路径）后的物体的形状检测和位置获取。这项新技术被称之为共聚焦扩散层析成像，在遥感、机器人视觉、以及自动驾驶等领域都具有相当大的应用价值。

共聚焦扫描过程示意。系统样机栅格化扫描散射介质的表面（该散射介质是一块25毫米厚的不透明泡沫），时间分辨探测器（SPAD）捕获通过介质散射传播到隐藏对象并返回到照明点的光。

通过散射介质进行3D成像实现示意。（a）成像系统用脉冲激光和时间分辨单光子探测器对散射介质的表面进行光栅化扫描；（b）光通过介质扩散，被隐藏的物体反射回来，然后再通过介质扩散返回到检测器；（c）随着时间的推移，探测器会捕获来自隐藏物体的返回光子，而较早到达的光子将被门控。

硬件原型样机示意。硬件原型的主要组件包括一个脉冲激光器，该激光器与一个单像素单光子雪崩二极管共享一条通过分束器的光路。该系统以数十皮秒量级的定时分辨率捕获反向散射光子的到达时间。

重建算法概述。重建过程使用校准的扩散算子（diffuison operator）对捕获的时间分辨测量值（a）进行解卷积，用以估计体积而不受扩散散射的影响（b）。采用共焦设计的逆滤波器可恢复隐藏的反光字母 "S"（c）。

实验结果示意。在基于时间分辨的测量中，字母或物体的形状被完全遮盖，可以直接看到通过介质返回的散射光（右上）。即使使用50ps的窗口对测量进行时间层面的选通，其形状也会被遮盖（左下）。使用该研究提出的共聚焦扩散层析成像，可以恢复字母或物体的形状和位置（右下）。

论文信息：
D.B. Lindell, G. Wetzstein. Three Dimensional Imaging Based on Confocal Diffuse Tomography. Nature Communications, 2020.
技术详见: 
http://www.computationalimaging.org/publications/confocal-diffuse-tomography/
* 所有图片素材均来源于作者原始论文及网络公开资料，该技术分享不做任何商业用途。

之前我们公众号进行技术解读的同样是该组研究人员参与的计算成像相关工作，欢迎点击查阅可查阅以下报道相关技术分享回顾（欢迎点击查阅):

回顾与预告

上期回顾：显示专题 | 几何相位透镜加成超紧凑增强现实显示（OSA OL）欢迎点击查阅

下期预告：我们将不定期推荐学术领域具有代表性的计算显示和计算成像研究工作，同时穿插一些新型光学设计和VR/AR光机实现科普等的资讯分享，欢迎订阅关注，欢迎来稿交流。
Contact: [e-mail]
INTELLIGENTOPTICSSHARING (I.O.S.) 运营以该领域的研究学者为主，非盈利非广告，希望能够结交共同兴趣方向的读者们，建立光学和计算机交叉学科领域内一个资讯分享交流的平台，还望大家多多支持，欢迎来稿，欢迎拍砖。


END