清華大學在非視域成像研究方面取得重要進展
近日，清華大學丘成桐數(shù)學科學中心、精密儀器系聯(lián)合研究團隊在非視域成像相關(guān)研究領(lǐng)域取得重要進展。研究團隊針對現(xiàn)有非視域成像技術(shù)在應用上的瓶頸，提出基于虛擬共焦補償?shù)男盘柵c物體聯(lián)合先驗（Confocal Complemented Signal-Object Collaborative Regularization，簡稱CC-SOCR）重建方法，突破傳統(tǒng)非視域成像的場景范式，對于任意中介面形態(tài)均可實現(xiàn)準確成像。 TB* t^ E
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傳統(tǒng)光學成像技術(shù)無法探測到視線以外的區(qū)域，如被障礙物遮擋的目標等，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，通過向中介面發(fā)射激光，并接收在中介面、非視域目標表面發(fā)生漫反射的光子級回波，經(jīng)算法重建后，能夠?qū)崟r“觀察”隱蔽目標。這一顛覆性探測技術(shù)使得非視域目標無所遁形，在自動駕駛、醫(yī)療成像、災難救援、安防反恐等領(lǐng)域具有重大的應用潛力。 "Zh,;)hS
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然而，現(xiàn)有的非視域成像技術(shù)在應用上存在瓶頸。重建過程依賴于激光照射點在中介面上進行密集、均勻掃描（如圖1a所示，通常為上萬個掃描點），導致該技術(shù)對應用場景要求嚴格——需要大面積的連續(xù)中介面（如墻面、地面等）和較長的采集時間。當實際探測場景可利用的中介面大小及形狀嚴重受限時，將顯著加大非視域成像反問題的求解難度，造成現(xiàn)有主流成像算法的重建失敗。 dGm%If9P
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圖1.非視域成像場景的突破與拓展 jVd`J
針對以上難題，研究團隊提出了CC-SOCR重建方法，一舉突破了傳統(tǒng)非視域成像的場景范式，對于任意中介面形態(tài)（如圖1b-1e所示的柵欄、百葉窗、窗框、異形結(jié)構(gòu)等）均可實現(xiàn)準確成像。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，并能夠同時獲取測量點處的低噪音估計信號、虛擬共焦信號及非視域目標的反射率與法向信息。同時，該方法發(fā)展和融合了稀疏優(yōu)化、非局部自相似先驗、雙向正交字典學習、經(jīng)驗維納濾波及聯(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例的重構(gòu)結(jié)果。其中，測量點限定于中介面上N、L、O、S字母內(nèi)部區(qū)域。 5\C(2naf
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圖2.CC-SOCR方法框架圖及重構(gòu)結(jié)果 Ye&/O<G'V
研究團隊通過仿真、實驗數(shù)據(jù)充分驗證了新方法的有效性。對于離散、稀疏、異形等各類特殊中介面（平面/曲面），在共焦/非共焦探測模式下，新方法均給出了高質(zhì)量的目標反射率及法向重構(gòu)結(jié)果，是目前在特殊中介面場景下唯一有效的重構(gòu)方法（如圖3所示）。該工作實現(xiàn)了非視域成像技術(shù)的場景范式創(chuàng)新，極大拓展了該技術(shù)的應用場景和范圍。同時，對于傳統(tǒng)中介面，該方法同樣具有巨大優(yōu)勢，僅需稀疏測量點即可重構(gòu)非視域目標，從而顯著降低信號的采集時間。 H'z AMGZa
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圖3.稀疏、離散、異形中介面場景下的雕像重構(gòu)結(jié)果對比 SyVXXk 0
該研究成果近日以“適用于任意照射和探測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。 hdx_Tduue
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該研究由清華大學丘成桐數(shù)學科學中心、雁棲湖北京數(shù)學科學與應用研究院、清華大學精密儀器系、光子測控技術(shù)教育部重點實驗室共同完成。論文第一作者為丘成桐數(shù)學科學中心2021級博士研究生劉新桐。通訊作者為丘成桐數(shù)學科學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級博士生王健羽、肖樂平和丘成桐數(shù)學科學中心史作強教授。該研究得到了國家自然科學基金的支持。 1 >rQ).eT
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論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38898-4
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