近日，清華大學(xué)丘成桐數(shù)學(xué)科學(xué)中心、精密儀器系聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在非視域成像相關(guān)研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)現(xiàn)有非視域成像技術(shù)在應(yīng)用上的瓶頸，提出基于虛擬共焦補(bǔ)償?shù)男盘?hào)與物體聯(lián)合先驗(yàn)（Confocal Complemented Signal-Object Collaborative Regularization，簡(jiǎn)稱(chēng)CC-SOCR）重建方法，突破傳統(tǒng)非視域成像的場(chǎng)景范式，對(duì)于任意中介面形態(tài)均可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確成像。 W%g*sc*+  
w'H'o!*/  
傳統(tǒng)光學(xué)成像技術(shù)無(wú)法探測(cè)到視線(xiàn)以外的區(qū)域，如被障礙物遮擋的目標(biāo)等，因而存在信息感知的盲區(qū)。新興的非視域成像技術(shù)打破了這一限制，如圖1所示，通過(guò)向中介面發(fā)射激光，并接收在中介面、非視域目標(biāo)表面發(fā)生漫反射的光子級(jí)回波，經(jīng)算法重建后，能夠?qū)崟r(shí)“觀(guān)察”隱蔽目標(biāo)。這一顛覆性探測(cè)技術(shù)使得非視域目標(biāo)無(wú)所遁形，在自動(dòng)駕駛、醫(yī)療成像、災(zāi)難救援、安防反恐等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用潛力。 }~I!'J#)  
%vJHr!x  
然而，現(xiàn)有的非視域成像技術(shù)在應(yīng)用上存在瓶頸。重建過(guò)程依賴(lài)于激光照射點(diǎn)在中介面上進(jìn)行密集、均勻掃描（如圖1a所示，通常為上萬(wàn)個(gè)掃描點(diǎn)），導(dǎo)致該技術(shù)對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景要求嚴(yán)格——需要大面積的連續(xù)中介面（如墻面、地面等）和較長(zhǎng)的采集時(shí)間。當(dāng)實(shí)際探測(cè)場(chǎng)景可利用的中介面大小及形狀嚴(yán)重受限時(shí)，將顯著加大非視域成像反問(wèn)題的求解難度，造成現(xiàn)有主流成像算法的重建失敗。 j HHWq>=d  
)Fv.eIBY  
nTqU~'d'  
針對(duì)以上難題，研究團(tuán)隊(duì)提出了CC-SOCR重建方法，一舉突破了傳統(tǒng)非視域成像的場(chǎng)景范式，對(duì)于任意中介面形態(tài)（如圖1b-1e所示的柵欄、百葉窗、窗框、異形結(jié)構(gòu)等）均可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確成像。CC-SOCR方法基于貝葉斯推斷，創(chuàng)造性地引入了虛擬共焦信號(hào)，并能夠同時(shí)獲取測(cè)量點(diǎn)處的低噪音估計(jì)信號(hào)、虛擬共焦信號(hào)及非視域目標(biāo)的反射率與法向信息。同時(shí)，該方法發(fā)展和融合了稀疏優(yōu)化、非局部自相似先驗(yàn)、雙向正交字典學(xué)習(xí)、經(jīng)驗(yàn)維納濾波及聯(lián)合頻域稀疏表示等技術(shù)，具有優(yōu)異的模型可解釋性。圖2展示了新方法的框架圖及雕像實(shí)例的重構(gòu)結(jié)果。其中，測(cè)量點(diǎn)限定于中介面上N、L、O、S字母內(nèi)部區(qū)域。 :G1ddb&0+  
(G"'Fb6d  
<xy@%  
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)仿真、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)充分驗(yàn)證了新方法的有效性。對(duì)于離散、稀疏、異形等各類(lèi)特殊中介面（平面/曲面），在共焦/非共焦探測(cè)模式下，新方法均給出了高質(zhì)量的目標(biāo)反射率及法向重構(gòu)結(jié)果，是目前在特殊中介面場(chǎng)景下唯一有效的重構(gòu)方法（如圖3所示）。該工作實(shí)現(xiàn)了非視域成像技術(shù)的場(chǎng)景范式創(chuàng)新，極大拓展了該技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景和范圍。同時(shí)，對(duì)于傳統(tǒng)中介面，該方法同樣具有巨大優(yōu)勢(shì)，僅需稀疏測(cè)量點(diǎn)即可重構(gòu)非視域目標(biāo)，從而顯著降低信號(hào)的采集時(shí)間。 FbE/x$;~O  
m;OvOc,  
8 c8`"i  
該研究成果近日以“適用于任意照射和探測(cè)圖樣的非視域成像技術(shù)”（Non-line-of-sight imaging with arbitrary illumination and detection pattern）為題發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。 YO7U}6wBt  
hC:'L9Y  
該研究由清華大學(xué)丘成桐數(shù)學(xué)科學(xué)中心、雁棲湖北京數(shù)學(xué)科學(xué)與應(yīng)用研究院、清華大學(xué)精密儀器系、光子測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室共同完成。論文第一作者為丘成桐數(shù)學(xué)科學(xué)中心2021級(jí)博士研究生劉新桐。通訊作者為丘成桐數(shù)學(xué)科學(xué)中心邱凌云助理教授、精儀系付星副教授。論文合作者還包括2022級(jí)博士生王健羽、肖樂(lè)平和丘成桐數(shù)學(xué)科學(xué)中心史作強(qiáng)教授。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。 uDDa>Ka#+  
i<Vc~!pT  
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38898-4