中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉、竇賢康、徐飛虎等在國際上實驗實現(xiàn)了1.43公里的遠(yuǎn)距離非視域成像，首次將成像距離從米級提高到公里級，為非視域成像技術(shù)的開拓及在實際場景中的應(yīng)用開辟了新道路。該成果于2021年3月4日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)知名期刊《美國國家科學(xué)院院刊》上[PNAS 118, e2024468118 (2021)]。

成像是一個古老而又常新的話題，從墨子的小孔成像、伽利略的觀星望遠(yuǎn)鏡，到現(xiàn)代的激光雷達(dá)、核磁共振等，各類成像技術(shù)為人類觀察世界和探索未知提供了有力工具。然而，這些傳統(tǒng)成像技術(shù)都是對視域內(nèi)的物體進行觀測，即成像的對象必須在觀察者視線內(nèi)。受限于一定范圍的視場，大量充斥在視場以外的視覺信息是傳統(tǒng)成像技術(shù)無法被捕捉到的。非視域成像技術(shù)（Non-line-of-sight imaging）能夠?qū)﹄[藏在視線外的物體進行拍照，實現(xiàn)“隔墻觀物”，極大地拓展了人類的成像能力�？梢灶A(yù)見，在不遠(yuǎn)的未來，非視域成像技術(shù)將在醫(yī)療檢測、智能駕駛、軍事偵察等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的應(yīng)用價值。

光學(xué)非視域成像的實現(xiàn)過程通常是將激光脈沖發(fā)射到中介墻上，利用中介墻使激光散射到被遮擋的非視域場景中，該場景中的隱藏物體再次將激光散射到中介墻上，最后被中介墻散射至接收系統(tǒng)。整個過程激光經(jīng)歷了三次漫反射，通過記錄光量子的飛行時間信息（Time-of-flight），并利用計算成像算法可以實現(xiàn)對非視域場景的重構(gòu)。然而，由于激光經(jīng)過多次漫反射，整個光路存在巨大的衰減，使得非視域成像目前僅在實驗室內(nèi)進行短距離的原理性驗證；此外，多次漫反射導(dǎo)致的時空信息混雜，使得成像算法成為一個科研難題。

在該項工作中，研究團隊從光學(xué)系統(tǒng)和重構(gòu)算法同時出發(fā)，通過系統(tǒng)性的設(shè)計遠(yuǎn)距離成像解決方案，發(fā)展高效率、低噪聲的非視域成像系統(tǒng)以及高效的成像算法，將非視域成像的距離從米級提高到公里級，相比先前的實驗結(jié)果提升了三個數(shù)量級。在光學(xué)系統(tǒng)方面，研究團隊基于雙望遠(yuǎn)鏡共焦光學(xué)設(shè)計，開發(fā)了一套近紅外波長的高效率非視域成像系統(tǒng)，成功克服了漫反射帶來的160dB光學(xué)衰減。在算法方面，研究團隊采用凸優(yōu)化算法，并結(jié)合精確的成像模型和壓縮感知等成像理論，解決了多次漫反射所導(dǎo)致的時空混合問題，成功實現(xiàn)非視域圖像重構(gòu)。最終，基于成像技術(shù)和算法的突破，該項工作成功在現(xiàn)場環(huán)境下實現(xiàn)了對1.43公里外的非視域場景進行成像以及對隱藏的物體進行實時跟蹤。

圖1.遠(yuǎn)距離非視域成像實驗裝置圖：A.現(xiàn)場實驗拓?fù)�，B.光學(xué)系統(tǒng)，C.隱藏場景示意，D. 實驗裝置實物，E. 隱藏場景遠(yuǎn)景，F(xiàn). 隱藏場景近景，G.隱藏場景實物。

圖2.非視域成像實驗結(jié)果圖：A.原始實驗數(shù)據(jù)，B.算法重構(gòu)結(jié)果。

這項工作為非視域成像的實用化研究開辟了一條嶄新的道路。《美國國家科學(xué)院院刊》雜志的審稿人一致對該工作給予高度評價，稱贊“這一結(jié)果代表非視域成像領(lǐng)域的最佳結(jié)果”（the results represent the best results in NLOS imaging）、“這項工作給我留下了深刻的印象，因為它使整個非視域成像領(lǐng)域在實際環(huán)境中的應(yīng)用邁出了一大步”（I am impressed by this work as it makes a big step forward for this community in demonstrating NLOS imaging "in the wild"）。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士后吳騁、博士生劉健江和黃鑫是本論文的共同第一作者。該工作得到科技部、基金委、中科院、安徽省和上海市等部門的資助和支持。

論文鏈接： https://www.pnas.org/content/118/10/e2024468118