中國科學技術大學教授潘建偉、竇賢康、徐飛虎等在國際上實驗實現(xiàn)了1.43公里的遠距離非視域成像，首次將成像距離從米級提高到公里級，為非視域成像技術的開拓及在實際場景中的應用開辟了新道路。該成果于2021年3月4日發(fā)表在國際學術知名期刊《美國國家科學院院刊》上[PNAS 118, e2024468118 (2021)]。

成像是一個古老而又常新的話題，從墨子的小孔成像、伽利略的觀星望遠鏡，到現(xiàn)代的激光雷達、核磁共振等，各類成像技術為人類觀察世界和探索未知提供了有力工具。然而，這些傳統(tǒng)成像技術都是對視域內的物體進行觀測，即成像的對象必須在觀察者視線內。受限于一定范圍的視場，大量充斥在視場以外的視覺信息是傳統(tǒng)成像技術無法被捕捉到的。非視域成像技術（Non-line-of-sight imaging）能夠對隱藏在視線外的物體進行拍照，實現(xiàn)“隔墻觀物”，極大地拓展了人類的成像能力?？梢灶A見，在不遠的未來，非視域成像技術將在醫(yī)療檢測、智能駕駛、軍事偵察等諸多領域發(fā)揮著重要的應用價值。

光學非視域成像的實現(xiàn)過程通常是將激光脈沖發(fā)射到中介墻上，利用中介墻使激光散射到被遮擋的非視域場景中，該場景中的隱藏物體再次將激光散射到中介墻上，最后被中介墻散射至接收系統(tǒng)。整個過程激光經歷了三次漫反射，通過記錄光量子的飛行時間信息（Time-of-flight），并利用計算成像算法可以實現(xiàn)對非視域場景的重構。然而，由于激光經過多次漫反射，整個光路存在巨大的衰減，使得非視域成像目前僅在實驗室內進行短距離的原理性驗證；此外，多次漫反射導致的時空信息混雜，使得成像算法成為一個科研難題。

在該項工作中，研究團隊從光學系統(tǒng)和重構算法同時出發(fā)，通過系統(tǒng)性的設計遠距離成像解決方案，發(fā)展高效率、低噪聲的非視域成像系統(tǒng)以及高效的成像算法，將非視域成像的距離從米級提高到公里級，相比先前的實驗結果提升了三個數(shù)量級。在光學系統(tǒng)方面，研究團隊基于雙望遠鏡共焦光學設計，開發(fā)了一套近紅外波長的高效率非視域成像系統(tǒng)，成功克服了漫反射帶來的160dB光學衰減。在算法方面，研究團隊采用凸優(yōu)化算法，并結合精確的成像模型和壓縮感知等成像理論，解決了多次漫反射所導致的時空混合問題，成功實現(xiàn)非視域圖像重構。最終，基于成像技術和算法的突破，該項工作成功在現(xiàn)場環(huán)境下實現(xiàn)了對1.43公里外的非視域場景進行成像以及對隱藏的物體進行實時跟蹤。

這項工作為非視域成像的實用化研究開辟了一條嶄新的道路?！睹绹鴩铱茖W院院刊》雜志的審稿人一致對該工作給予高度評價，稱贊“這一結果代表非視域成像領域的最佳結果”（the results represent the best results in NLOS imaging）、“這項工作給我留下了深刻的印象，因為它使整個非視域成像領域在實際環(huán)境中的應用邁出了一大步”（I am impressed by this work as it makes a big step forward for this community in demonstrating NLOS imaging "in the wild"）。

中國科學技術大學博士后吳騁、博士生劉健江和黃鑫是本論文的共同第一作者。該工作得到科技部、基金委、中科院、安徽省和上海市等部門的資助和支持。

論文鏈接： https://www.pnas.org/content/118/10/e2024468118

圖1：遠距離非視域成像實驗裝置圖：A.現(xiàn)場實驗拓撲，B.光學系統(tǒng)，C.隱藏場景示意，

D. 實驗裝置實物，E. 隱藏場景遠景，F(xiàn). 隱藏場景近景，G.隱藏場景實物。

圖2：非視域成像實驗結果圖：A.原始實驗數(shù)據，B.算法重構結果。

(合肥微尺度物質科學國家研究中心、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部)

新聞鏈接：http://news.ustc.edu.cn/info/1055/74331.htm

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