基于共焦扩散光学层析成像的研究可以透视隐藏物体

美国斯坦福大学基于共焦扩散光学层析成像（CDT）的研究可以“透视”隐藏物体。

实验装置示意图

对隐藏在散射介质后面的物体精确成像，具有很多潜在应用价值，吸引了广泛研究。遥感、机器人视觉和自动驾驶车辆都必须应对被大气中的雾、雨或扬尘部分或完全遮蔽的物体，斯坦福大学的这项研究或能提供透过这些障碍物成像的新方法。

据麦姆斯咨询报道，这项研究成果展示了一种结合单光子雪崩二极管（SPAD）、超快脉冲激光器以及新算法，透过散射介质捕捉三维形状的技术，并已发表于《自然通讯》。

斯坦福大学计算成像小组的Gordon Wetzstein说：“有许多成像技术可以使图像更清晰，噪点更少，而我们的研究可以使隐藏的物体可见。这项技术可以推动所有传感系统实现更多可能。”

这项技术基于漫射光学层析成像（DOT），这是一种通过模拟光从照明源到位于散射区周围探测器的扩散来重建厚散射介质中物体的方法。DOT很有吸引力，但通常局限于二维重建，或者需要计算量很大的数学模型来得出结果。

斯坦福大学的研究人员开发出了一种新的技术，旨在复杂宏观区域成像中超越DOT，它首先建模然后反转穿过厚散射介质、通过自由空间传播到隐藏物体，然后通过厚散射介质再次散射回来的光子散射。

据研究人员称，这项技术通过显式建模然后反转散射过程的过程，可以将散射光子纳入最终重建程序，从而在仅分析直接返回的弹道光子效率太低而无法有效工作的情况下实现成像。

该研究小组在其发表的论文中评论称：“我们的研究是将共焦扫描系统结合新兴的高灵敏单光子皮秒级精确探测器以及新开发的信号处理转换相结合，提供一种模式化的硬件设计，为这种具有挑战性的反转问题提供一种有效的近似解决方案。这种方法可以在相对较长的距离以较低的计算复杂度运行，适用于较大的、米级尺寸的成像。”

在试验中，研究人员使用532 nm激光器发射35 ps脉冲，将该平台用于对60 cm x 60 cm x 2.5 cm聚氨酯散射介质后面的物体进行成像。

脉冲激光与SPAD探测器共用一条光路，有效地创建了一个共焦捕获过程，利用两个扫描镜在散射介质上扫描激光。

然后SPAD捕捉从隐藏物体返回的光子，而较早到达的光子则被门控屏蔽。新开发定制的计算方法随后进行反转程序，以从返回光子中恢复隐藏物体的扩散反射系数。

该平台成功重建了隐藏的反射人体模型、字母形物体和一组交通锥的CDT图像。根据隐藏物体的亮度不同，扫描操作需要在1分钟~1小时左右，但该算法可以实时重建被遮挡的场景。

该团队的下一步研究将包括其他类型的散射几何体，例如嵌入密集散射材质中的物体，类似于被雾包围的物体。

斯坦福大学的David Lindell评价称：“我们希望能够在不依赖弹道光子的情况下，透过散射介质成像，收集所有被散射的光子来重建图像。这使得我们的系统特别适用于弹道光子非常少的大范围应用。”