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如何看见躲在墙角的坏人?揭秘超快飞行时间成像技术

本文作者:看风景的蜗牛君 2017-01-20 15:05
导语:通常我们认为转角后的物体不在视线范围之内,因此无法看到。但是科学家借助漫反射原理,使用超快激光和特殊的相机实现了视野外物体的观测。

雷锋网按:本文作者@看风景的蜗牛君,中科院光学工程博士。雷锋网(公众号:雷锋网)独家首发文章,转载请联系授权。

警匪片或恐怖片中通常会出现这样一个场景:一伙人沿着走廊慢慢地、谨慎地向前走着,而另一伙人则躲在走廊尽头的拐角后,等待着给对方突然袭击。

每次看到这种场景,我就心想,要是能有一种设备可以悄无声息的探查拐角的情况就好了。

如图1所示,摄影机的视野只有图中矩形的区域,而一个人躲在角落背后,该如何才能观测到呢?

 如何看见躲在墙角的坏人?揭秘超快飞行时间成像技术

图1 如何看到转角背后的物体?(Detection and tracking of moving objects hidden from view

由于光的波长较短,日常生活中我们基本不考虑光波的衍射效应,所以一句耳熟能详的话叫做“光沿直线传播”,这就使得通常我们的视野可以由光的直线传播路径来框定。因此既然没有镜子来帮助光“拐弯”,我们也就没法看到角落背后的物体了。

实际上,能够让光“拐弯”的绝不仅仅是镜面反射,还有漫反射。漫反射大家并不陌生,我们能够看到物体,绝大多数情况下都是因为物体表面可以对光进行漫反射。

那么什么是漫反射呢?简单来说,漫反射就是光投射在粗糙表面后,光向各个方向反射的现象。除了镜子、玻璃等少数光滑表面,平常我们看到的墙壁、地板、桌椅板凳等等全都是会发生漫反射的。

镜面反射并不会携带镜子本身的信息,因此我们照镜子时看清的并不是镜面的细节,而是镜子反射的物体的信息。而由于漫反射的存在,使得光源的光在物体表面向各个方向散开,携带了物体的信息,于是我们站在物体周围都能够看得到它们的轮廓和表面的细节。

如何看见躲在墙角的坏人?揭秘超快飞行时间成像技术

图2 镜面反射和漫反射

由于漫反射时会携带物体本身的信息,因此若是经过不止一次漫反射,多个物体的信息将会叠加到一起难以区分,使得通常情况下我们无法借助经过多次漫反射的光来成像。今天要介绍的技术却反其道而行之,利用漫反射没有明显方向选择性的特点,“看”到了转角后的物体。其实称其为“看”并不严格,准确地说,这是利用光子传播时间来对物体进行3D反演的一种方法。

众所周知,光在空气中的传播速度约为3.0×108m/s,因此有不少产品利用光子的飞行时间来探知周围的世界,我们最熟的产品之一就是激光雷达(Lidar)。激光雷达利用激光发射与接收的时间差,来重构周围的3D环境。借助类似的性质,科学家实现了转角后物体的观测。

这项技术最早是由麻省理工学院的科学家发明的(Recovering three-dimensional shape around a corner using ultrafast time-of-flight imaging)。他们将一束超短的脉冲激光照射到地板上,如图3示意图所示。这束光持续的时间实在是太短了(13.3ns),照射到的地板上的位置也非常非常小,在地板上发生了漫反射,光子以球面传播向四面八方,以至于可以近似认为这是一个瞬时点亮又熄灭的理想点光源。

如何看见躲在墙角的坏人?揭秘超快飞行时间成像技术

图3 地板被超快激光瞬间点亮并充当点光源

Detection and tracking of moving objects hidden from view

当光传播到转角后的物体上,再次发生漫反射,因此这次物体充当了点光源的角色,光子沿球面以物体为中心向四面八方沿球面传播,一部分光到达相机观测视野内的地板上,并漫反射进入相机中,画出一条弧线。通过这条弧线以及光子到达的时间,我们就可以反向计算出物体的具体位置。

如何看见躲在墙角的坏人?揭秘超快飞行时间成像技术

图4 转角后的物体被照射后漫反射光到达相机视场内

Detection and tracking of moving objects hidden from view

可以看出,要实现这样的观测,相机的性能要求极高。此处的相机需要满足两个要求:

  • 可以观测极弱的光强,甚至是单光子的光强;

  • 可以进行超快的记录,将光子按照到达相机的时间进行区分。

此处科学家使用的相机叫做单光子雪崩二极管(Single-Photon Avalanche Diode, SPAD)相机,可以实现单光子级别的探测并高精度记录它们到达的时间,每秒能够记录十亿幅图像。

 如何看见躲在墙角的坏人?揭秘超快飞行时间成像技术

图5 藏在转角后的物体的重构结果

Recovering three-dimensional shape around a corner using ultrafast time-of-flight imaging

图5是实际实验的重构结果。(a)是实验使用的原始物体,可以看出,虽然重构的分辨率不高,但物体基本的轮廓可以准确的计算出来。因此,这项技术在救灾、反恐等众多领域有着潜在应用。

以下是相关两个科研组制作的相关技术介绍视频:

How to see around corners

Seeing around corners using lasers


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