北理工團隊在計算成像研究方面取得重要進展
發(fā)布日期：2022-07-19 供稿：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：姜艷 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院鄭寧教授團隊和北京環(huán)境特性研究所的李糧生研究員團隊，在《Nature Communications》發(fā)表題為 “Computational imaging of moving objects obscured by a random corridor via speckle correlations” 的文章。團隊提出了一種新型的散斑關(guān)聯(lián)方法，實現(xiàn)了對隨機走廊（包含隨機介質(zhì)的曲折走廊）中隱藏目標(biāo)的成像，同時定量分析了該方法的成像適用范圍。北京理工大學(xué)的博士研究生石天為論文的第一作者，鄭寧教授和李糧生研究員為論文的共同通訊作者。論文的合作者包括北京理工大學(xué)的史慶藩教授，北京環(huán)境特性研究所的工作人員蔡禾和朱先立。
由于可重構(gòu)相機視線外隱藏目標(biāo)圖像的能力，非視域成像和散射成像等計算成像方法吸引了越來越多的關(guān)注。這些計算成像方法的潛在應(yīng)用領(lǐng)域包括機器人視覺、自動駕駛、災(zāi)害救援和醫(yī)學(xué)成像等。在以往典型成像場景中，非視域成像利用中繼面漫反射光的時空信息，反投影、光錐變換、相量場、計算潛望和空間相干分析等非視域方法能夠重構(gòu)出拐角后隱藏目標(biāo)的圖像。而基于散斑關(guān)聯(lián)、波前整形和散斑反卷積等散射成像方法可實現(xiàn)對隨機介質(zhì)后和走廊拐角后的目標(biāo)成像。但在面對大厚度、不規(guī)則形狀隨機介質(zhì)與多個拐角的聯(lián)合干擾遮蔽下的計算成像，現(xiàn)有散射成像與非視域成像技術(shù)基本失效。上述這類強散射復(fù)雜干擾環(huán)境，被命名為“隨機走廊”，是一種包含隨機介質(zhì)的曲折走廊，通常存在于多塵礦井、煙霧彌漫的通風(fēng)管道、建筑走廊等救援場景中。對隨機走廊遮蔽目標(biāo)的計算成像不僅可以極大提高救援效率，還可以保護救援工作人員的人身安全，減少不必要的損失。
本文中，作者提出了一種約化空間系綜散斑光強關(guān)聯(lián)（reduced spatial- and ensemble-speckle intensity correlation, RSESIC）方法，用來成像被隨機走廊所遮蔽的隱藏運動物體。實驗結(jié)果表明，無論目標(biāo)位于隨機走廊的一個或兩個拐角之后，該方法均可以利用一臺普通的家庭數(shù)碼相機，以亞毫米分辨率重建出厘米尺度隱藏目標(biāo)的清晰圖像。作者進而定義了一個關(guān)聯(lián)保真度（correlation fidelity , CF）用來描述成像系統(tǒng)的性能，研究了子空間邊長、相機像素數(shù)和像素散斑尺寸比這三個系統(tǒng)參數(shù)對成像性能的影響。如果這些參數(shù)選擇不當(dāng)，CF會退化甚至無法接受，最終導(dǎo)致計算成像失敗。通過研究，作者給出了RSESIC方法能正確成像隱藏目標(biāo)的系統(tǒng)參數(shù)范圍。同時還研究了散斑光強功率衰減引起的CF退化。基于實驗和理論分析，作者證明了在額外的關(guān)聯(lián)重整化之后，隱藏目標(biāo)的圖像仍然可以被正確重建。
本文結(jié)果為非視域成像和散射成像的研究提供了新的思路和見解，相關(guān)工作發(fā)表在Nature Communications 13, 4081(2022)。該工作得到中國國家自然科學(xué)基金（11974044）和中國國家重點研究發(fā)展計劃（2016YFC1401001）等項目的支持。
實驗研究了當(dāng)目標(biāo)位于隨機走廊的一個拐角和兩個拐角后，RSESIC方法的成像表現(xiàn)。圖1和圖2中分別展示了兩種情況下的實驗成像系統(tǒng)原理圖和隱藏目標(biāo)圖像的重構(gòu)結(jié)果。
圖1 成像位于隨機走廊一個拐角后的隱藏目標(biāo)。a 實驗成像系統(tǒng)原理圖。b 激光散斑光強照片子空間約化示意圖。c,f 散斑光強關(guān)聯(lián)函數(shù)。d,g 重建出的隱藏目標(biāo)圖像。e,h 隱藏目標(biāo)實物照片。
圖2 成像位于隨機走廊兩個拐角后的隱藏目標(biāo)。a 實驗成像系統(tǒng)原理圖。b 隱藏目標(biāo)自關(guān)聯(lián)函數(shù)、散斑光強關(guān)聯(lián)函數(shù)、重整化散斑光強關(guān)聯(lián)函數(shù)三者的對比。c 重整化散斑光強關(guān)聯(lián)函數(shù)。d 由重整化散斑光強關(guān)聯(lián)函數(shù)重建出的隱藏目標(biāo)圖像。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31669-7
分享到：