邵晓鹏教授团队绕墙成像技术研究纪实

隔着一块厚厚的毛玻璃，或者一片玫瑰花瓣，亦或一片四叶草的叶子，人眼看不到物体，相机也拍不出任何照片，但果真如此么？实际有可能并非这样。

在sunCity818集团北校区西大楼Ⅱ-210的实验室里，摆放着一套利用LED光源照明的无透镜散射成像实验系统。这套系统正中间，竖直放置着一块毛玻璃。毛玻璃的一边是观测目标，另一边是没有安装镜头的CCD相机。

实验开始，LED光源点亮后，目标被照亮，一束包含有目标信息的光线，穿透毛玻璃被相机记录下来。虽然记下来的初始信息，就像电视机中的雪花点，但经过一系列复杂的数学计算，电脑上还是清晰地出现了目标图像。

“隔山观牛”，隔着毛玻璃这座“山”，看到另一边的目标，这就是物理与光电工程学院邵晓鹏教授从事的研究方向——计算成像，一种颠覆我们生活认知常识的“黑科技”。

美国访学：锁定计算成像研究

利用可见光观测目标，是人们在日常生活中观测物体的主要方式。

如果目标和观测点之间没有障碍物，两者之间一览无余，那么人眼可以直接看到，我们也可以利用光学相机进行拍照、摄像。但如果目标和观测点之间存在云、烟、雾、水等障碍物，我们怎样才能发现目标，去看到云层后的飞机、雾霾下的城市、海水里的潜艇呢？

“光波在通过云、烟、雾、水，甚至生物组织等散射介质时，都会发生散射现象，传统成像方法确实没办法成像，但计算成像就是解决这个问题的技术。”邵晓鹏介绍说。

2009年，以访问学者身份在美国佐治亚理工学院开展研究工作的邵晓鹏，在合作导师周好民（Hao-min Zhou）教授那里，第一次了解到了新体制成像的相关研究进展，随即把自己的兴趣转移到了计算成像领域，最终锁定到围绕光学相关效应展开的随机散射成像研究。

邵晓鹏介绍说，上世纪90年代，法国科学家首次提出透过随机散射介质成像，随后这一研究逐渐成为热门，尤其是近年来突破不断产生。

2012年，意大利科学家贝尔托洛蒂（J. Bertolotti）等人在《自然》杂志上，首次提出利用散斑相关法透过散射介质实现成像。“该方法最大的特点就是无需获得散射介质的先验信息或者反馈调制。然而，由于成像过程需要扫描，整个成像过程费时较长，有时候甚至需要几十分钟，远远不能满足实际成像需要”。

2014年，以色列科学家卡茨（O. Katz）等人在贝尔托洛蒂研究的基础上，又提出了一种基于单帧散斑自相关的无透镜成像方法，成为随机散射领域的又一次突破。

回国实践：搭建散射成像系统

2010年7月，结束了国外访学的邵晓鹏回到西电，带领着团队随即全面展开了新体制成像，尤其是计算成像的相关研究工作。

针对该领域其他学者公开提出的方法，邵晓鹏团队首先进行了验证还原。

他们首先按照卡茨提出的方法，搭建了一套赝热光源照明下的成像实验系统，开展了原理验证与分析工作。“我们验证了随机散射介质散斑成像原理的可行性，取得了较好的成像结果。”邵晓鹏说，“但这种赝热光，需要用一束激光打在旋转的毛玻璃上才能产生，照明光源制备过程较为复杂，且成本较高。”

邵晓鹏团队随后利用成本低、易获得、普适性高的LED光源，替代了赝热光，有效将散射介质散斑成像从窄谱拓展到了宽谱。作为以后的目标，希望最终实现白光宽光谱成像，甚至拓展到红外及微波领域。

“赝热光是一种理想光源，具有单色性好、亮度高、方向性和相干性强等特点，LED光源虽然也是人造的，但更接近于自然光。”邵晓鹏说。

邵晓鹏团队搭建的这套散射成像实验系统，不仅实现了高分辨率的清晰成像，而且理论模型非常简单，能够做到无相差成像，是随机散射成像领域的又一突破，把研究又向前推动了一小步。“更重要的是，计算过程可以做到实时成像。”

此外，邵晓鹏团队还在这套系统上，进行了全景深成像的验证，利用“深度方向上的记忆效应”，能够把二维平面成像，拓展到包含有方位信息的立体空间，使成像具有一定的纵向深度，实现三维成像。

当前，他们在三维运动目标跟踪等方面已经取得了重要的成果，这是在国际上首次提出在该成像体制下无需图像重建直接进行目标实时检测与跟踪方法，检测与跟踪精度很高，可以拓展到相关的应用领域。

未来方向：推动实现“绕墙成像”

目前，邵晓鹏刚刚获批一项国家自然科学基金面上项目资助，正在进行透过散射介质的宽谱照明非侵入式成像机理研究。

“简单地说，我们就是想把研究扩展到更常见的光线状况下，最终实现非侵入式成像，拓宽散射成像的应用领域。”邵晓鹏介绍说，透过散射介质实现非侵入式实时成像，未来有望在生物医学成像、公共安全和军事反恐等领域发挥重要作用。目前，在宽光谱成像方面，他们已经取得了初步的研究成果，不仅能够充分利用宽光谱的能量获得高分辨率的图像，而且能够获得图像的光谱信息，实现高光谱成像。

新技术发展总是一步一步向前的，邵晓鹏把自己从事的散斑相关计算成像研究工作，梳理成这样一幅技术发展脉络图，从窄带光照明到宽光谱成像，从成像到光谱，从微观到宏观，从特殊介质到一般介质等方面，任何工作都能带来革命性的进展。

目前，该研究领域，已经从用激光产生的赝热光，进展到LED光源下也能成像，正朝着以自然光为目标的更宽频谱方向发展。一旦突破对光频谱的限制，就有望投入到实际应用中。

邵晓鹏充满希望地介绍，在不久的将来这一技术有望实现“绕墙成像”，即：当一束光通过门缝照射到房间内以后，屋内结构的组成、桌椅的摆放以及人员分布情况等相关信息，均可以被反射回接收器中的光信息计算出来。

“‘绕墙成像’才是真正的黑科技，我们的研究其实才刚刚开始！”邵晓鹏如此说。

部分实验结果：

1.散斑重建过程

2. 目标透射式成像结果

3.墙面反射式成像结果

4.灰度目标成像

图片：闫毅强