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周建英课题组:散射光成像有望冲击透视技术

2016-12-31 01:36
九一隐士
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中山大学光电材料与技术国家重点实验室周建英教授团队发展出一种逆向恢复成像的实验新技术,采用独特的光学系统设计找到在混乱光影中解读原始图像的秘钥,结合多波长光场的分离,实现了大光学视场的实时彩色成像。

光散射是限制光传输以及降低和破坏光学成像效果的主要因素。例如,雾霾对光线的散射给高速公路交通安全带来诸多隐患;浓烟对光线的散射使火灾现场的逃生、搜救困难重重;不透光的生物组织给医学诊断和治疗带来极大挑战。

如果我们能够消除散射带来的不利影响,甚至化弊为利使光的散射信息得到恰当利用,那么上述这些问题都将迎刃而解。人们也一直期待拥有高效的透视成像技术——其将在民用、医疗、国家安全等众多领域发挥较大的应用价值,并且这一技术也具有重要的科学意义。近年来,这一领域的研究和探索不断取得进展,已经成为光物理科学与应用领域重要而热门的研究课题。

近期,中山大学光电材料与技术国家重点实验室周建英教授团队发展出一种逆向恢复成像的实验新技术,有效地利用了透过散射体的弥散光信号,实现了大光学视场的实时彩色图像的重构。该研究成果于近期发表在Scientific Report [6, 32696 (2016)]上。

图   散射体透视成像  a, b)透过散射体,相机拍摄到的弥散光斑; c, d)通过算法从弥散光斑中恢复出来的隐藏物体图像; e-h) 恢复隐藏物体的彩色图像。

散射过程表面看似杂乱无章,实则成像的信息恰被隐藏在混乱无序的散斑当中。1988年,科学家发现薄散射体存在一种特殊的性质——“记忆效应”,同时揭示了散射成像过程即是点扩散函数与物体的卷积。点扩散函数也称为系统的响应函数,它某种程度上包含了散射体自身的信息,实际上成为从混乱光影中解读原始图像的秘钥。

周建英教授团队利用解卷积算法发展了逆向恢复成像的实验新技术,采用独特的光学系统设计,实现了光学系统视场的扩展;同时引进显卡图像处理器进行维纳滤波,实现了毫秒量级的高质量成像恢复,从而达到了透射光学成像的实时性要求。进一步,通过对多波长光场的分离、处理和复合,该光学系统还实现了对隐藏物体色彩信息的恢复,从而具有了对隐藏物体的光谱“指纹”开展物质结构特性分析的能力。下图展示了这项透视技术在实验室环境下彩色图像恢复和实时动态成像的实验结果。

图   散射体后的实时大角度彩色成像技术

散射体透视成像技术的发展,使得原来认为毫无用处的散射光被重新挖掘和利用,为高效成像提供了新的思路。目前来说,要实现科幻电影或小说中呈现的离奇的透视技术当然还不现实,但是散射光的有效利用,确实可为解决本文起始提到的诸多现实生活中的问题提供可资利用的解决手段。

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