北理工團(tuán)隊(duì)在計(jì)算成像研究方面取得重要進(jìn)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(tuán)隊(duì)和北京環(huán)境特性研究所的李糧生研究員團(tuán)隊(duì),，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(tuán)隊(duì)提出了一種新型的散斑關(guān)聯(lián)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隨機(jī)走廊（包含隨機(jī)介質(zhì)的曲折走廊）中隱藏目標(biāo)的成像,，同時(shí)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(jī)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(jì)算成像方法吸引了越來越多的關(guān)注,。這些計(jì)算成像方法的潛在應(yīng)用領(lǐng)域包括機(jī)器人視覺、自動(dòng)駕駛,、災(zāi)害救援和醫(yī)學(xué)成像等,。在以往典型成像場(chǎng)景中，非視域成像利用中繼面漫反射光的時(shí)空信息,，反投影,、光錐變換、相量場(chǎng),、計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)隨機(jī)介質(zhì)后和走廊拐角后的目標(biāo)成像,。但在面對(duì)大厚度,、不規(guī)則形狀隨機(jī)介質(zhì)與多個(gè)拐角的聯(lián)合干擾遮蔽下的計(jì)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(qiáng)散射復(fù)雜干擾環(huán)境,，被命名為“隨機(jī)走廊”,，是一種包含隨機(jī)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(chǎng)景中。對(duì)隨機(jī)走廊遮蔽目標(biāo)的計(jì)算成像不僅可以極大提高救援效率,，還可以保護(hù)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(qiáng)關(guān)聯(lián)（reduced spatial- and ensemble-speckle intensity correlation, RSESIC）方法,，用來成像被隨機(jī)走廊所遮蔽的隱藏運(yùn)動(dòng)物體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，無論目標(biāo)位于隨機(jī)走廊的一個(gè)或兩個(gè)拐角之后,，該方法均可以利用一臺(tái)普通的家庭數(shù)碼相機(jī)，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(jìn)而定義了一個(gè)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(zhǎng),、相機(jī)像素?cái)?shù)和像素散斑尺寸比這三個(gè)系統(tǒng)參數(shù)對(duì)成像性能的影響,。如果這些參數(shù)選擇不當(dāng)，CF會(huì)退化甚至無法接受,，最終導(dǎo)致計(jì)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(shí)還研究了散斑光強(qiáng)功率衰減引起的CF退化,。基于實(shí)驗(yàn)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(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金（11974044）和中國(guó)國(guó)家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃（2016YFC1401001）等項(xiàng)目的支持。
實(shí)驗(yàn)研究了當(dāng)目標(biāo)位于隨機(jī)走廊的一個(gè)拐角和兩個(gè)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(shí)驗(yàn)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(jī)走廊一個(gè)拐角后的隱藏目標(biāo),。a 實(shí)驗(yàn)成像系統(tǒng)原理圖,。b 激光散斑光強(qiáng)照片子空間約化示意圖。c,f 散斑光強(qiáng)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(shí)物照片,。
圖2 成像位于隨機(jī)走廊兩個(gè)拐角后的隱藏目標(biāo)。a 實(shí)驗(yàn)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(qiáng)關(guān)聯(lián)函數(shù)、重整化散斑光強(qiáng)關(guān)聯(lián)函數(shù)三者的對(duì)比,。c 重整化散斑光強(qiáng)關(guān)聯(lián)函數(shù),。d 由重整化散斑光強(qiáng)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
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