传统成像的经验教训让科学家们可以看到角落

除了飞行和隐形之外，每个孩子的超级超级大国名单中的最高位置是能够透过墙壁或其他视觉障碍物。现在，这种能力向现实迈进了一大步，因为来自威斯康星大学麦迪逊分校和西班牙萨拉戈萨大学的科学家借鉴了经典光学的经验教训，已经证明可以使用预测的“隐藏场景”来对其进行成像。虚拟相机“看看周围的障碍。

该技术在今天(2019年8月5日)的“ 自然 ”杂志的一份报告中有所描述。一旦完善，它可以用于广泛的应用，从防御和救灾到制造和医学成像。这项工作主要由军方通过美国国防部的高级研究计划局(DARPA)和美国国家航空航天局提供资金，美国国家航空航天局将这项技术设想为在月球和火星上隐藏洞穴的潜在方式。

实现科学家称之为“非视距成像”的技术已经开发多年，但技术挑战限制了他们对简单场景的模糊图像。新方法可以克服的挑战包括成像更复杂的隐藏场景，看到多个角落和拍摄视频。

“这种非视距成像已经存在了一段时间，”威斯康星大学医学与公共卫生学院生物统计学和医学信息学教授，新自然研究的资深作者安德里亚斯威尔滕说。“它有很多不同的方法。”

Velten说，非线性视觉成像的基本思想是围绕使用间接的反射光，各种光回波，来捕捉隐藏场景的图像。来自数千个激光脉冲的光子从墙壁或另一个表面反射到模糊的场景，并且反射的漫射光反弹回连接到相机的传感器。然后使用重新捕获的光粒子或光子以三维方式数字地重建隐藏的场景。

“我们向表面发出光脉冲并看到光线回来，从中我们可以看到隐藏场景中的内容，”Velten解释道。

其他研究小组最近的工作重点是利用单个物体的小场景，在受控条件下提高场景再生质量。新的自然报告中提出的工作超越了简单的场景，并解决了现有非视线成像技术的主要局限，包括不同材料质量的墙壁和隐藏物体的表面，不同隐藏的亮度变化很大物体，隐藏场景中物体之间的光的复杂相互反射，以及用于重建较大场景的大量噪声数据。

这些挑战共同阻碍了新兴的非视距成像系统的实际应用。

Velten和他的同事，包括萨拉戈萨大学的迭戈古铁雷斯，通过应用与传统视距成像系统拍摄的相同数学解释，通过更传统的棱镜来解决问题。这种新方法超越了单一重建算法的使用，并描述了一类具有独特优势的新型成像算法。

古铁雷兹指出，传统系统将衍射光解释为波，通过将公知的数学变换应用于传播通过成像系统的光波，可以将其成形为图像。

在非视距成像的情况下，Velten说，对隐藏场景进行成像的挑战是通过将非视距成像问题重新拟合为波衍射问题然后使用众所周知的数学来解决的。从其他成像系统转换以解释波并重建隐藏场景的图像。通过这样做，新方法将任何漫射墙变成虚拟相机。

“我们所做的就是利用波浪来表达问题，”Velten说，他还在威斯康星大学麦迪逊分校的电气和计算机工程系以及生物统计学和医学信息学系任教，并且隶属于Morgridge研究所和威斯康星大学麦迪逊光学和计算仪器实验室。“系统具有相同的基础数学，但我们发现，即使使用非常糟糕的数据，我们的重建也非常强大。你可以用更少的光子来完成。”

使用这种新方法，Velten的团队表明，尽管场景复杂性，反射器材料的差异，散射的环境光以及构成场景的物体的不同景深，也可以对隐藏的场景进行成像。

将相机从一个表面投影到另一个表面的能力表明，该技术可以发展到可以看到多个角落的位置：“这应该允许我们围绕任意数量的角落进行成像，”Velten说。“要做到这一点，光线必须经历多次反射，问题是如何分离来自不同表面的光线?这个'虚拟相机'可以做到这一点。这就是复杂场景的原因：有多次反弹和我们拍摄的场景的复杂程度大于之前所做的。“

根据Velten的说法，该技术可用于创建任何成像系统的虚拟投影版本，甚至可以捕捉光线通过隐藏场景传播的摄像机。事实上，Velten的团队使用这项技术在隐藏的场景中创建了一个光传输视频，使得可以将光线反射四到五次，根据威斯康星科学家的说法，它可以成为相机看到周围的基础。不止一个角落。

如果可以设计传感器阵列来捕获从隐藏场景反射的光，则可以进一步且显着地改进该技术。新Nature论文中描述的实验仅依赖于一个探测器。

在医学领域，该技术为机器人手术等事业带来了希望。现在，例如，在对眼睛进行敏感手术时，外科医生的视野受到限制，而Velten团队开发的技术可以更全面地了解手术周围的情况。

除了帮助解决非视距成像的许多技术挑战之外，Velten指出，该技术既可以既便宜又紧凑，这意味着实际应用只是时间问题。