光學(xué)成像技術(shù)，例如光檢測(cè)和測(cè)距（LiDAR），是機(jī)器人視覺(jué)和自動(dòng)駕駛中必不可少的工具。但是，散射的存在對(duì)我們?cè)陟F，雨，灰塵或大氣中成像的能力構(gòu)成了根本限制。

通過(guò)散射介質(zhì)成像的常規(guī)方法是在微觀尺度上運(yùn)行，或者需要3D成像的目標(biāo)位置的先驗(yàn)知識(shí)。斯坦福大學(xué)最新論文《Three－dimensional imaging through scattering media based on confocal diffuse tomography》，介紹了一種共同設(shè)計(jì)單光子雪崩二極管，超快脈沖激光器的技術(shù)，以及一種通過(guò)散射介質(zhì)捕獲3D形狀的新逆方法。證明了在宏觀尺度上隱藏在厚散射體后面的物體的形狀和位置的獲取，實(shí)現(xiàn)共聚焦擴(kuò)散層析成像。

內(nèi)容

散射是對(duì)所有光學(xué)成像系統(tǒng)都設(shè)置基本限制的物理過(guò)程。例如，光檢測(cè)和測(cè)距（LiDAR）系統(tǒng)對(duì)于汽車(chē)，水下和空中飛行器感知和理解其周?chē)?D環(huán)境至關(guān)重要。但是，當(dāng)前的LiDAR系統(tǒng)在不利條件下會(huì)失效，在這些條件下，云，霧，灰塵，雨水或渾濁的水會(huì)導(dǎo)致散射。

斯坦福大學(xué)電氣工程學(xué)助理教授，該論文的高級(jí)作者戈登·韋茨斯坦說(shuō)：“許多成像技術(shù)使圖像看起來(lái)更好一些，噪聲也更少了，但這確實(shí)是我們使不可見(jiàn)的東西變得可見(jiàn)?！?/p>

該技術(shù)是對(duì)其他視覺(jué)系統(tǒng)的補(bǔ)充，這些視覺(jué)系統(tǒng)可以穿透微觀尺度的障礙物，例如在有霧或大雨中駕駛自動(dòng)駕駛汽車(chē)，以及對(duì)地面的衛(wèi)星成像地球和其他行星通過(guò)朦朧的大氣層。

對(duì)散射光進(jìn)行監(jiān)督

為了看清沿各個(gè)方向散射光的環(huán)境，該系統(tǒng)將激光器與超靈敏的光子檢測(cè)器配對(duì)，該檢測(cè)器記錄擊中它的每一個(gè)激光。當(dāng)激光掃描障礙物（如泡沫壁）時(shí)，部分光子將設(shè)法穿過(guò)泡沫，擊中隱藏在其后的物體，然后再通過(guò)泡沫返回檢測(cè)器。由算法支持的軟件使用這幾個(gè)光子以及有關(guān)它們?cè)诤翁幰约昂螘r(shí)撞擊探測(cè)器的信息，以3D形式重構(gòu)隱藏的對(duì)象。

這不是第一個(gè)具有通過(guò)散射環(huán)境顯示隱藏對(duì)象能力的系統(tǒng)，但是它規(guī)避了與其他技術(shù)相關(guān)的限制。同樣常見(jiàn)的是，這些系統(tǒng)僅使用來(lái)自彈道光子的信息，這些光子是通過(guò)散射場(chǎng)往返于隱藏對(duì)象的光子，但實(shí)際上并沒(méi)有沿散射路徑傳播。

論文的主要作者，電氣工程專業(yè)的研究生戴維·林德?tīng)栒f(shuō)：“我們希望能夠在沒(méi)有這些假設(shè)的情況下通過(guò)散射介質(zhì)成像，并收集所有散射的光子來(lái)重建圖像。” “這使我們的系統(tǒng)特別適用于彈道光子極少的大規(guī)模應(yīng)用?！?/p>

為了使他們的算法適合于散射的復(fù)雜性，研究人員不得不緊密地共同設(shè)計(jì)他們的硬件和軟件，盡管他們使用的硬件組件僅比目前在自動(dòng)駕駛汽車(chē)中使用的硬件組件稍微先進(jìn)一些。根據(jù)隱藏對(duì)象的亮度，對(duì)其測(cè)試進(jìn)行掃描需要花費(fèi)一分鐘到一小時(shí)不等的時(shí)間，但是該算法可以實(shí)時(shí)重建被遮擋的場(chǎng)景，并且可以在便攜式計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。

Lindell說(shuō)：“您無(wú)法用自己的眼睛看透泡沫，甚至只是看檢測(cè)器上的光子測(cè)量結(jié)果，也看不到任何東西?！?“但是，只有少數(shù)幾個(gè)光子，重建算法才能曝光這些物體－您不僅可以看到它們的外觀，還可以看到它們?cè)?D空間中的位置?！?/p>