使用激光和成像技术观察拐角处的物体

在每一种成像应用中，通常都需要物体和照相机或探测器之间的直接视线，除非出现极端情况，例如天文学中由于引力透镜效应导致的光弯曲。但在大多数情况下，成像应用仅限于光的直线传播。不过，随着一些前沿研究为拐角处和障碍物周围的物体成像开辟可能性，这种情况正在开始改变。结合激光、敏感相机和计算重建方法，可以通过散射周围物体发射的光来探测被障碍物遮挡的物体。

未来就在拐角处

视线外成像的过程类似于激光雷达（光探测和测距），激光脉冲被发送到一个物体，物体发出的光散射的飞行时间用来测量物体和探测器之间的距离。不过，通过为这一过程添加另一个散射事件，视线外成像图像的物体会被障碍物遮挡。¹

图 1: 为了将被某些障碍物遮挡的隐藏目标成像，会将超快激光脉冲发送到目标附近的物体，如墙壁

图 2: 激光脉冲到达墙壁或目标附近的其他物体，并从其散射。这种散射光会向隐藏的目标传播

图 3: 然后，光线从隐藏的目标散射第二次，并传播回墙壁。高灵敏度相机会在光线达到墙壁时检测到这种二次散射。通过对墙壁上多个不同激光位置重复这一过程，形成隐藏目标的三维模型

重建隐藏目标的模型

为了实时测量皮秒和飞秒脉冲光的传播，需要单光子雪崩光电二极管阵列等高灵敏度相机。探测器接收到两种不同的返回信号：一种是直接散射到墙外的初始光信号，另一种是散射到目标外的二次光信号，用于视线外成像。然后，利用这些飞行时间信息重建一系列椭球体，所有椭球体都在隐藏目标上的给定点上重叠，从而使计算软件能够计算相机与隐藏目标之间的距离，并重建目标的三维模型。

一个三维物体可以分解成多个散射光的点的集合。所有这些点合在一起可以重建原始对象的模型。如果探测器能够分辨出时间分辨率为 100ps 的返回脉冲，则对应于隐藏目标上点的空间分辨率 1.5cm。 ¹

图 4: 描述视线外成像如何通过汇集通过图 1-3 描述的过程确定的一系列点来生成一个被遮挡物体的三维模型

现实应用

自动驾驶汽车

让汽车在附近的车辆靠近或拐角处的行人进入视线之前就感应到他们²

公共安全

让执法人员、消防队员和紧急医疗服务人员在安全距离检测到处于危险境地的人员²

医疗成像/显微镜

研究隐藏在系统视线之外的小型三维结构²

视线外成像的未来

采用这一新兴技术，并为现实世界的使用创建一个可移植的、对观察者的眼睛没有危险的实用解决方案具有极大的挑战性。视线外成像的主要问题之一是返回探测器的光线量有限，探测器必须能够接收到这一极其少量的光线，并将其与任何环境光源区分开来。返回探测器的信号是两个连续散射的结果，会导致极高的损耗。返回信号可以低到每个激光脉冲一个光子。¹

不过，斯坦福计算机成像实验室已经开发出一种视线外成像系统，可以在室外间接阳光下工作。他们成功拍摄了一个由反光带制成且被墙壁遮挡的物体，这对这项技术的未来来说是个好兆头。.

中佛罗里达大学的 Aristide Dogariu 实验室正在研究利用到达墙壁的光线的空间相干性，而不是从墙壁及其后面的目标散射的激光的视线外成像。³ 这可以在不需要超快激光照明的情况下对隐藏目标进行建模，使该技术在现实世界中的应用更加便携和易于使用。

在视线外成像技术可用于实际的商业系统之前，还需要进行更多开发，但它是适合下一代成像应用的一个极有前途的解决方案。