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
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。
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)。
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。
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