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让人类拥有“超人”视觉,不需要X光也能透视物体

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透过一英寸厚的泡沫,研究人员看到了字母“S”的三维重构图像。

不需要X光的透视视觉?美国斯坦福大学的研究人员将漫画中的超凡想象变成了现实。他们以自动驾驶汽车使用的“观察”硬件为基础,并用高效算法对系统进行了增强。这种算法可以根据单个光子的运动重建三维隐藏场景。

在《自然通讯》杂志9月9日刊登的一篇论文中,斯坦福大学的研究人员开发的系统成功重现了被一英寸厚的泡沫遮住的物体的形状。

论文作者、斯坦福大学电子工程助理教授Gordon Wetzstein说:“许多成像技术的目标是让图像质量更好,噪音更小。而我们是让不可见变成了可见。这将让人类获得超人般的视觉,并推动传感系统的前沿发展。”

研究人员表示,新技术是微观障碍视觉系统的重要补充。它聚焦于宏观场景观测,例如浓雾中自动驾驶汽车的导航、暴雨条件下的卫星成像等。

为了穿透散射环境,研究人员将激光束与超灵敏的光子探测器进行了配对。当激光扫描类似泡沫这样的障碍物时,偶尔会有一个光子穿透泡沫,击中藏身于其后的物体,然后再穿过泡沫返回探测器。接着,由高效算法支持的软件利用光子带回的位置、时间信息,以3D形式重建隐藏物体。

这并不是第一种能透过散射环境揭示隐藏对象的系统,但它突破了很多限制。例如,新系统不需要了解隐藏对象与观测者的距离。

论文作者、电子工程研究生David Lindell说:“我们希望能在无需特定条件的情况下通过散射介质成像,并收集所有散射光子重构图像。我们设计的系统在大规模应用中极具潜质,因为大规模应用中的弹道光子非常少。”

在测试中,根据隐藏物体的亮度,扫描时间从1分钟到1小时不等。但算法实时重建了隐藏场景,并且可以在笔记本电脑上运行。

Lindell说:“肉眼无法透过泡沫看东西。然而,只需要少量光子,重建算法就能让隐藏物体‘显露真身’——你不仅可以看到它们的形状,甚至还可以知道它们在三维空间中的位置。”

未来,新版本的透视系统有可能会被送入太空,帮助人类穿透冰云深度观察其它星球。

下一阶段,研究人员将在不同的散射环境中测试系统性能,以探寻其它潜在应用场景。Lindell说:“我们希望用其他类型的散射几何模型进一步升级系统。由此,不仅是隐藏在障碍物后方的物体,被密集散射材料包裹的隐藏物体,也逃不出我们的‘法眼’。”

原创编译:雷鑫宇 审稿:西莫 责编:陈之涵

期刊来源:《自然通讯》

期刊编号:2041-1723

原文链接:https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-09/su-sot090920.php

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