2017年5月8日 星期一

.如何看見躲在牆角的壞人?揭秘超快飛行時間成像技術

CORNAR: A camera that looks around corners




leiphone 作者:看風景的蝸牛君


按:本文作者@看風景的蝸牛君,中國中科院光學工程博士。

警匪片或恐怖片中,通常會出現這樣一個場景:一伙人沿著走廊慢慢地、謹慎地向前走著,而另一伙人則躲在走廊盡頭的拐角後,等待著給對方突然襲擊。

每次看到這種場景,我就心想,要是能有一種設備,可以悄無聲息的探查拐角的情況就好了。

如圖1所示,攝影機的視野只有圖中矩形的區域,而一個人躲在角落背後,該如何才能觀測到呢?
 如何看见躲在墙角的坏人?揭秘超快飞行时间成像技术
1 如何看到轉角背後的物體?Detection and tracking of moving objects hidden from view


由於光的波長較短,日常生活中我們基本不考慮光波的衍射效應,所以一句耳熟能詳的話叫做「光沿直線傳播」,這就使得通常我們的視野,可以由光的直線傳播路徑來框定。因此既然沒有鏡子來幫助光「拐彎」,我們也就沒法看到角落背後的物體了。

實際上,能夠讓光「拐彎」的,絕不僅僅是鏡面反射,還有漫反射。漫反射大家並不陌生,我們能夠看到物體,絕大多數情況下,都是因為物體表面可以對光進行漫反射。

那麼什麼是漫反射呢?簡單來說,漫反射就是光投射在粗糙表面後,光向各個方向反射的現象。除了鏡子、玻璃等少數光滑表面,平常我們看到的牆壁、地板、桌椅板凳等等,全都是會發生漫反射的。

鏡面反射並不會攜帶鏡子本身的資訊,因此我們照鏡子時,看清的並不是鏡面的細節,而是鏡子反射的物體的資訊。而由於漫反射的存在,使得光源的光在物體表面,向各個方向散開,攜帶了物體的資訊,於是我們站在物體周圍,都能夠看得到它們的輪廓,和表面的細節。

如何看见躲在墙角的坏人?揭秘超快飞行时间成像技术
2 鏡面反射和漫反射

由於漫反射時,會攜帶物體本身的資訊,因此若是經過不止一次漫反射,多個物體的資訊將會疊加到一起,難以區分,使得通常情況下,我們無法借助經過多次漫反射的光來成像。

今天要介紹的技術,卻反其道而行之,利用漫反射沒有明顯方向選擇性的特點,「看」到了轉角後的物體。其實稱其為「看」並不嚴格,準確地說,這是利用光子傳播時間,來對物體進行3D反演的一種方法

眾所周知,光在空氣中的傳播速度約為3.0×108m/s,因此有不少產品利用光子的飛行時間,來探知周圍的世界,我們最熟的產品之一,就是雷射雷達(Lidar)。雷射雷達利用雷射發射與接收的時間差,來重構周圍的3D環境。借助類似的性質,科學家實現了轉角後物體的觀測。

這項技術最早是由麻省理工學院的科學家發明的(Recovering three-dimensional shape around a corner using ultrafast time-of-flight imaging)。他們將一束超短的脈衝雷射照射到地板上,如圖3示意圖所示。這束光持續的時間實在是太短了(13.3ns),照射到的地板上的位置也非常非常小,在地板上發生了漫反射,光子以球面傳播向四面八方,以至於可以近似認為,這是一個瞬時點亮又熄滅的理想點光源。

如何看见躲在墙角的坏人?揭秘超快飞行时间成像技术
3 地板被超快雷射瞬間點亮並充當點光源


當光傳播到轉角後的物體上,再次發生漫反射,因此這次物體充當了點光源的角色,光子沿球面以物體為中心,向四面八方沿球面傳播,一部分光到達相機\攝影機,觀測視野內的地板上,並漫反射進入相機中,畫出一條弧線。透過這條弧線,以及光子到達的時間,我們就可以反向計算出物體的具體位置。

如何看见躲在墙角的坏人?揭秘超快飞行时间成像技术
4 轉角後的物體被照射後漫反射光到達相機視場內


可以看出,要實現這樣的觀測,攝影機的性能要求極高。此處的攝影機需要滿足兩個要求:

  • 可以觀測極弱的光強,甚至是單光子的光強
  • 可以進行超快的記錄,將光子按照到達攝影機的時間進行區分。


此處科學家使用的攝影機叫做單光子雪崩二極管(Single-Photon Avalanche Diode, SPAD)攝影機,可以實現單光子級別的探測,並高精度記錄它們到達的時間,每秒能夠記錄十億幅圖像。

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5 藏在轉角後的物體的重構結果

圖5是實際實驗的重構結果。(a)是實驗使用的原始物體,可以看出,雖然重構的分辨率不高,但物體基本的輪廓可以準確的計算出來。因此,這項技術在救災、反恐等眾多領域有著潛在應用。
以下是相關兩個科研組製作的相關技術介紹影片:

How to see around corners

Seeing around corners using lasers




                                                                                                                                                                                                                 




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