量子激发计算成像

2018 年 12 月 27 日 未来产业促进会

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近日，《Science》刊登了英国爱丁堡赫瑞瓦特大学的Yoann Altmann等人发表的《Quantum-inspired computational imaging》，文章回顾计算成像领域的一些最新发展，包括对直视（例如，在拐角处或在障碍物后面）隐藏的场景的完整三维成像，本报摘译报道如下：

用眼睛观察世界是我们的天性，也是我们的日常行为。成像技术是一种扩展人类视觉认知能力的技术，通过采用新型的探测器捕捉图像，能够使我们获得比肉眼看到的更多的图像信息，其发展历史并不算悠久。

在19世纪早期，才诞生了人类历史上的第一张照片，这是一张不起眼的照片，需要几天的曝光才获得了非常模糊的图像。在19世纪晚期，首次清晰的抓拍到奔跑中的马，展现出了人眼所看不清楚的细节。在随后的时间里，摄影师们记录了人类历史的许多重要时刻，从第一个美国国家公园的建立到NASA的阿波罗11号登月计划。在20世纪90年代，人类每年拍摄的照片近百亿张。进入21世纪后，在互联网爆炸式发展的推动下，今年全球照片总量将达到两万亿张——平均每人1000张。这归功于我们在传感、数据存储和通信方面的长足进步。同时，这也激励着人们研究远超人类视觉能力且含有高水平视觉处理能力的新型成像技术。

除了消费品外，研究机构正在制造看起来与传统意义上的相机完全不同——甚至在有些时候都不能称之为相机——的成像装置。

传统探测器检测的光强相对较高，并有特定的光谱响应范围和使人眼感到舒适的帧频。然而新型探测技术均是基于单光子探测，单光子是组成光的最小量子。这类探测器设置了一个“咔嗒”声，就像一个盖革探测器在放射性物质出现时发出的那样。我们现在学会了使用这种有“咔嗒”声的探测器来构建具有增强属性和应用场景的相机。例如，可以用每秒万亿帧的速度拍摄视频，这个速度是标准高速摄像机速度的10亿倍。就像以前的摄影技术能够“冻结”子弹的运动一样，在此帧频下足以用同样方式“冻结”光线——尽管光的速度比超音速子弹快10亿倍。可见，新一代的成像设备即将诞生，它具有高时间分辨率，并且融合了单光子级的灵敏度和先进的计算分析技术，实现了前所未有的技术飞跃，具有超乎想象的应用前景。

例如，可以对墙后面的场景进行全3D成像，可以对隐藏在拐角后面的人或车进行精确定位，也可以利用直接透过不透明材料传输的少量光子获得图像。受到量子技术的启发，也可能制造出仅有单个像元的相机，或实现多传感器融合成像，能够拍摄出含有其他方式无法获取的光谱信息的3D图像。

研发中的量子成像系统，可透过不透明介质（如雾或人体组织）成像，这种介质会将光散射到各个方向

结合了计算方法和人工智能的量子激发成像技术，正在使我们重新开始思考以下两个问题，1什么是构成了图像的要素？2什么事物可以或不能成像？我们在研发透过不透明介质（如雾或人体组织）成像方面，已取得了稳步的进展，具有开创性的应用潜力，前者可应用于自动驾驶汽车，后者可应用于医疗诊断。此外，我们也在研究小于单光子/像元的3D成像相机。单光子相机已经应用于智能手机中，目前它们仅被赋予简单检测功能，比如聚焦相机镜头或检测拿起的手机是否贴近耳朵。这项技术已经走出了实验室，在未来将为人们提供优质的成像服务。