中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周建英教授團(tuán)隊(duì)發(fā)展出一種逆向恢復(fù)成像的實(shí)驗(yàn)新技術(shù)，采用獨(dú)特的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)找到在混亂光影中解讀原始圖像的秘鑰，結(jié)合多波長(zhǎng)光場(chǎng)的分離，實(shí)現(xiàn)了大光學(xué)視場(chǎng)的實(shí)時(shí)彩色成像。

光散射是限制光傳輸以及降低和破壞光學(xué)成像效果的主要因素。例如，霧霾對(duì)光線的散射給高速公路交通安全帶來(lái)諸多隱患；濃煙對(duì)光線的散射使火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的逃生、搜救困難重重；不透光的生物組織給醫(yī)學(xué)診斷和治療帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。

如果我們能夠消除散射帶來(lái)的不利影響，甚至化弊為利使光的散射信息得到恰當(dāng)利用，那么上述這些問題都將迎刃而解。人們也一直期待擁有高效的透視成像技術(shù)——其將在民用、醫(yī)療、國(guó)家安全等眾多領(lǐng)域發(fā)揮較大的應(yīng)用價(jià)值，并且這一技術(shù)也具有重要的科學(xué)意義。近年來(lái)，這一領(lǐng)域的研究和探索不斷取得進(jìn)展，已經(jīng)成為光物理科學(xué)與應(yīng)用領(lǐng)域重要而熱門的研究課題。
 

近期，中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周建英教授團(tuán)隊(duì)發(fā)展出一種逆向恢復(fù)成像的實(shí)驗(yàn)新技術(shù)，有效地利用了透過散射體的彌散光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了大光學(xué)視場(chǎng)的實(shí)時(shí)彩色圖像的重構(gòu)。該研究成果于近期發(fā)表在Scientific Report [6, 32696 (2016)]上。

 

圖   散射體透視成像  a, b)透過散射體，相機(jī)拍攝到的彌散光斑; c, d)通過算法從彌散光斑中恢復(fù)出來(lái)的隱藏物體圖像; e-h) 恢復(fù)隱藏物體的彩色圖像。

散射過程表面看似雜亂無(wú)章，實(shí)則成像的信息恰被隱藏在混亂無(wú)序的散斑當(dāng)中。1988年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)薄散射體存在一種特殊的性質(zhì)——“記憶效應(yīng)”，同時(shí)揭示了散射成像過程即是點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)與物體的卷積。點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)也稱為系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)，它某種程度上包含了散射體自身的信息，實(shí)際上成為從混亂光影中解讀原始圖像的秘鑰。

周建英教授團(tuán)隊(duì)利用解卷積算法發(fā)展了逆向恢復(fù)成像的實(shí)驗(yàn)新技術(shù)，采用獨(dú)特的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)的擴(kuò)展；同時(shí)引進(jìn)顯卡圖像處理器進(jìn)行維納濾波，實(shí)現(xiàn)了毫秒量級(jí)的高質(zhì)量成像恢復(fù)，從而達(dá)到了透射光學(xué)成像的實(shí)時(shí)性要求。進(jìn)一步，通過對(duì)多波長(zhǎng)光場(chǎng)的分離、處理和復(fù)合，該光學(xué)系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)隱藏物體色彩信息的恢復(fù)，從而具有了對(duì)隱藏物體的光譜“指紋”開展物質(zhì)結(jié)構(gòu)特性分析的能力。下圖展示了這項(xiàng)透視技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下彩色圖像恢復(fù)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

 

圖   散射體后的實(shí)時(shí)大角度彩色成像技術(shù)

散射體透視成像技術(shù)的發(fā)展，使得原來(lái)認(rèn)為毫無(wú)用處的散射光被重新挖掘和利用，為高效成像提供了新的思路。目前來(lái)說，要實(shí)現(xiàn)科幻電影或小說中呈現(xiàn)的離奇的透視技術(shù)當(dāng)然還不現(xiàn)實(shí)，但是散射光的有效利用，確實(shí)可為解決本文起始提到的諸多現(xiàn)實(shí)生活中的問題提供可資利用的解決手段。