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漫画

漫画 | 非视域成像:让视线“拐弯儿”,在1.4千米之外
发布时间:2021-03-17    2007   
漫画 | 非视域成像:让视线“拐弯儿”,在1.4千米之外


漫画 | 非视域成像:让视线“拐弯儿”,在1.4千米之外


漫画 | 非视域成像:让视线“拐弯儿”,在1.4千米之外


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漫画 | 非视域成像:让视线“拐弯儿”,在1.4千米之外


漫画 | 非视域成像:让视线“拐弯儿”,在1.4千米之外


漫画 | 非视域成像:让视线“拐弯儿”,在1.4千米之外


我们通常用的照相机、夜视仪和望远镜,都属于视域成像


它们只能看到自己视线范围内的东西,没法看到视线之外的东西。

漫画 | 非视域成像:让视线“拐弯儿”,在1.4千米之外


你可能会想,如果我在视线范围内放一个镜子,看不就可以看到视线之外的东西了吗?


没错,潜望镜就是这么做的。

漫画 | 非视域成像:让视线“拐弯儿”,在1.4千米之外


非视域成像的原理有点儿像潜望镜。


不过,它不是靠镜子来反射物体的光线,而是靠更粗糙的平面,比如墙壁,来反射物体的光线。

漫画 | 非视域成像:让视线“拐弯儿”,在1.4千米之外


可是,墙壁那么粗糙,就算让一束平行光线照在墙上,也会被散射得七零八落。

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所以,如果让物体把光线反射到墙壁上,再让墙壁把光反射到相机里,结果一定是白茫茫一片,连神仙都看不出来你拍的是啥。

漫画 | 非视域成像:让视线“拐弯儿”,在1.4千米之外


这可怎么办呢?办法是有的。


大部分非视域成像技术,都不会被动等待墙壁反射物体的光线,而是主动出击,向墙壁发射一束激光脉冲。

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这束激光脉冲,会经过墙壁,照在墙后的物体上。然后,物体会把一小部分脉冲信号反射回来,再次经过墙壁后,被探测器接收。

漫画 | 非视域成像:让视线“拐弯儿”,在1.4千米之外


也就是说,发出去的激光脉冲要经过三次漫反射,才能最终回到探测器中。

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最后,计算机通过分析探测器接收到的脉冲延迟了多久,形状发生了何种变化,来反推墙壁后面藏着的物体是什么形状的。

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从这个意义上说,非视域成像可以说是一种能够让视线拐弯的技术。

漫画 | 非视域成像:让视线“拐弯儿”,在1.4千米之外


仔细一想,你可能会发现,距离越远,激光衰减就越厉害,探测误差也会越大。


这样的非视域成像技术,最多也只能探测几米之外的物体。

漫画 | 非视域成像:让视线“拐弯儿”,在1.4千米之外


如此看来,这种技术就算真的投入使用,最多也就是用在近距离的场景,比如机械人视觉医学科研

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像漫画开头的那种在军事、反恐方面的远距离应用,非视域成像一时半会还无法胜任。

漫画 | 非视域成像:让视线“拐弯儿”,在1.4千米之外


那么,真的没有其他办法了吗?

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中国科学技术大学的潘建伟、窦贤康、徐飞虎研究组想到了一个新办法。


他们利用自己发展的硬件和软件,成功地把非视域成像的应用距离,延长到了1.4千米。


2021年3月,他们的研究论文发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

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你可能会觉得,不就是实验距离变远了吗?


这有什么难办的呢?


把仪器精度设置得高一点儿,再把实验数据分析得仔细一点儿,不就可以了吗?

漫画 | 非视域成像:让视线“拐弯儿”,在1.4千米之外


哪有那么简单!

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这可不仅仅是几千米和几米的区别,而是室外室内的区别。


要知道,我们做的是一个精密光学实验。


科学家做这样的实验时,恨不能把实验室变成一个没有光的黑屋子。


只有尽可能杜绝一切干扰,光学实验才能称得上足够“精密”。

漫画 | 非视域成像:让视线“拐弯儿”,在1.4千米之外


现在可好,研究组不但不能在黑屋子里做实验,还要把实验搬到户外,在明晃晃的太阳底下做实验。


这个时候,别说让视线拐弯了,就算想看清视线内的物体,都是不容易的事。

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那么,在如此强烈的干扰下,研究组又是如何让视线拐弯的呢?他们的主要有六点。

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尽管有了如此细致的准备,但近红外激光的脉冲,经过长距离的飞行,经过重重干扰,再经过三次漫反射,回到探测器以后,还是变得亲妈都不认识了。


虽然在每个扫描点上,近红外激光都会发出460亿亿个光子。

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但经过三次漫反射以后,却只有674个光子能回到探测器中。

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于是,研究组最后还有一个事情必须完成,那就是:

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研究组做了这么多创新和努力,实际效果如何呢?


请看,这是探测器探测到的一组信号。

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那么计算机程序认为这是什么呢?

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那么它究竟是什么呢?

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原来是一个标准的人体模型。


再看这个结果:

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啥也看不出来,对吗?让我们看看计算机的结果。

漫画 | 非视域成像:让视线“拐弯儿”,在1.4千米之外


那么它究竟是什么呢?

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原来是一个字母H。


再猜猜看,这拍的是啥?

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让计算机帮你还原(图像重建)一下。

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原来是它!

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这样看来,这一轮远距离非视域成像的效果还挺不错。


据不可靠消息,研究组还将在各种实际场景中,对这种技术进一步测试和优化,争取早日将它投入实际应用中。另外,在无人驾驶、灾害救援等民用领域,非视域成像也有广阔的应用前景,我们一起拭目以待吧~

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End


作者:Sheldon

绘制:赏鉴、周源

美指:牛猫

排版:伟俊

鸣谢:徐飞虎、吴骋、刘健江



参考文献:

  1. C. Wu, J. Liu, X. Huang, Z.-P. Li, C. Yu, J.-T. Ye, J. Zhang, Q. Zhang, X. Dou, V. K. Goyal, F. Xu and J.-W. Pan, Non–line-of-sight imaging over 1.43 km[J], Proc. Natl. Acad. Sci. 2021, 118, e2024468118.
  2. Faccio D, Velten A, Wetzstein G. Non-line-of-sight imaging[J]. Nature Reviews Physics, 2020, 2(6): 318-327.