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清华大学数学中心、精仪系联合团队突破非视域成像场景范式

本站小编 Free考研考试/2023-11-25

清华新闻网6月5日电 近日,清华大学丘成桐数学科学中心、精密仪器系联合研究团队在非视域成像相关研究领域取得重要进展。研究团队针对现有非视域成像技术在应用上的瓶颈,提出基于虚拟共焦补偿的信号与物体联合先验(Confocal Complemented Signal-Object Collaborative Regularization,简称CC-SOCR)重建方法,突破传统非视域成像的场景范式,对于任意中介面形态均可实现准确成像。
传统光学成像技术无法探测到视线以外的区域,如被障碍物遮挡的目标等,因而存在信息感知的盲区。新兴的非视域成像技术打破了这一限制,如图1所示,通过向中介面发射激光,并接收在中介面、非视域目标表面发生漫反射的光子级回波,经算法重建后,能够实时“观察”隐蔽目标。这一颠覆性探测技术使得非视域目标无所遁形,在自动驾驶、医疗成像、灾难救援、安防反恐等领域具有重大的应用潜力。
然而,现有的非视域成像技术在应用上存在瓶颈。重建过程依赖于激光照射点在中介面上进行密集、均匀扫描(如图1a所示,通常为上万个扫描点),导致该技术对应用场景要求严格——需要大面积的连续中介面(如墙面、地面等)和较长的采集时间。当实际探测场景可利用的中介面大小及形状严重受限时,将显著加大非视域成像反问题的求解难度,造成现有主流成像算法的重建失败。

图1.非视域成像场景的突破与拓展
针对以上难题,研究团队提出了CC-SOCR重建方法,一举突破了传统非视域成像的场景范式,对于任意中介面形态(如图1b-1e所示的栅栏、百叶窗、窗框、异形结构等)均可实现准确成像。CC-SOCR方法基于贝叶斯推断,创造性地引入了虚拟共焦信号,并能够同时获取测量点处的低噪音估计信号、虚拟共焦信号及非视域目标的反射率与法向信息。同时,该方法发展和融合了稀疏优化、非局部自相似先验、双向正交字典学习、经验维纳滤波及联合频域稀疏表示等技术,具有优异的模型可解释性。图2展示了新方法的框架图及雕像实例的重构结果。其中,测量点限定于中介面上N、L、O、S字母内部区域。

图2.CC-SOCR方法框架图及重构结果
研究团队通过仿真、实验数据充分验证了新方法的有效性。对于离散、稀疏、异形等各类特殊中介面(平面/曲面),在共焦/非共焦探测模式下,新方法均给出了高质量的目标反射率及法向重构结果,是目前在特殊中介面场景下唯一有效的重构方法(如图3所示)。该工作实现了非视域成像技术的场景范式创新,极大拓展了该技术的应用场景和范围。同时,对于传统中介面,该方法同样具有巨大优势,仅需稀疏测量点即可重构非视域目标,从而显著降低信号的采集时间。

图3.稀疏、离散、异形中介面场景下的雕像重构结果对比
该研究成果近日以“适用于任意照射和探测图样的非视域成像技术”(Non-line-of-sight imaging with arbitrary illumination and detection pattern)为题发表在《自然·通讯》(Nature Communications)上。
该研究由清华大学丘成桐数学科学中心、雁栖湖北京数学科学与应用研究院、清华大学精密仪器系、光子测控技术教育部重点实验室共同完成。论文第一作者为丘成桐数学科学中心2021级博士研究生刘新桐。通讯作者为丘成桐数学科学中心邱凌云助理教授、精仪系付星副教授。论文合作者还包括2022级博士生王健羽、肖乐平和丘成桐数学科学中心史作强教授。该研究得到了国家自然科学基金的支持。
论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-023-38898-4
供稿:数学科学中心
题图设计:李柳依
编辑:李华山
审核:郭玲
2023年06月05日 09:25:52


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    本站小编 Free壹佰分学习网 2022-09-19