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想象一下這樣的場景，對(duì)動(dòng)物大聲喊叫，然后就能從回音中分辨出它是狗還是馬。也許你會(huì)以為這樣的事情離我們很遙遠(yuǎn)，但是一個(gè)科學(xué)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成了這種攝影效果。
近期發(fā)表在 Optica 期刊上的一篇新論文中，英國、意大利和荷蘭的研究人員描述了一種全新的制作動(dòng)畫 3D 圖像的方法：通過捕捉光子的時(shí)間信息，而不是其空間坐標(biāo)。
研究人員通過調(diào)整光線反射到一個(gè)探測(cè)器上的時(shí)間，來提取出一個(gè)場景的三維圖像，這項(xiàng)被稱為時(shí)間成像的新技術(shù)展示了一種機(jī)器學(xué)習(xí)的重要用途。
時(shí)間成像系統(tǒng)比普通成像具有一定的優(yōu)勢(shì)。例如，新系統(tǒng)取像會(huì)非?？?，可能以每秒 1000 幀的速度工作；而且這種粗略而快速的 3D 成像可能具有多種應(yīng)用，如用作自動(dòng)駕駛汽車的攝像頭，以提高尋路的準(zhǔn)確性和應(yīng)急速度，以及用于移動(dòng)設(shè)備和健康監(jiān)視器發(fā)展 360° 感知能力；最重要的是，這種收集時(shí)間數(shù)據(jù)的單點(diǎn)探測(cè)器體積小、重量輕且價(jià)格便宜。
單像素成像
照片和視頻通常是通過使用數(shù)字傳感器捕獲光子（光的組成部分）來制作的，即環(huán)境光會(huì)反射物體，鏡頭將它聚焦在由微小的光敏元件或像素組成的屏幕上。圖像是由反射光產(chǎn)生的亮斑和暗斑形成的圖案。
以最普通的數(shù)碼相機(jī)為例，它由數(shù)百像素組成，這些像素通過檢測(cè)光在每個(gè)空間點(diǎn)的強(qiáng)度和顏色來形成圖像。
同時(shí)，可以通過在物體周圍放置若干個(gè)攝像機(jī)，并從多個(gè)角度對(duì)物體進(jìn)行拍攝，或者利用光子流掃描物體，并在三維中重建它來生成 3D 圖像。但無論使用何種方式，圖像都是通過收集場景的空間信息來構(gòu)建的。
近幾十年來，研究人員發(fā)明了一種更巧妙的方法，僅利用單個(gè)像素探測(cè)器即可捕捉到圖像。為了做到這一點(diǎn)，他們不是把物體暴露在均勻的光照下，而是暴露在不同的光照模式下，這些閃光類似于包裝上的方形條形碼。
每個(gè)圖案都會(huì)反射出物體的不同部分，因此像素測(cè)量的光強(qiáng)度會(huì)隨圖案的變化而變化。通過跟蹤這些變化，研究人員可以重建物體的圖像。
人工智能驅(qū)動(dòng)的新型相機(jī)
現(xiàn)如今，格拉斯哥大學(xué)的數(shù)據(jù)科學(xué)家 Alex Turpin 和物理學(xué)家 Daniele Faccio 及他們的同事，發(fā)明了一種方法來生成具有單個(gè)像素但是沒有圖案化閃光的 3D 圖像。他們利用閃電般快速的單光子探測(cè)器，以均勻的閃光照亮了一個(gè)場景，并簡單地測(cè)量了反射時(shí)間。
探測(cè)器的精度為四分之一納秒，可以計(jì)算出到達(dá)的光子數(shù)量與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，研究人員僅憑這些信息即可重建場
這是一種新奇的方法，因?yàn)樵瓌t上場景中物體的排列和時(shí)間信息之間沒有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。例如，從探測(cè)器 3 米遠(yuǎn)的任何表面反射的光子，無論朝向表面的任意方向，都將在 10 納秒內(nèi)到達(dá)。
而所謂的飛行時(shí)間相機(jī)可以增加深度，通過精確計(jì)算從物體反射到不同像素的閃光時(shí)間來制作 3D 圖像。
新型的 3D 成像設(shè)備從一個(gè)簡單、廉價(jià)的單點(diǎn)檢測(cè)器開始，這種探測(cè)器被調(diào)整為充當(dāng)光子的秒表。與測(cè)量顏色和強(qiáng)度空間分布的相機(jī)不同，探測(cè)器僅記錄由瞬間激光脈沖產(chǎn)生的光子從任意給定場景中的每個(gè)物體反彈并到達(dá)傳感器所需的時(shí)間。物體距離越遠(yuǎn)，每個(gè)反射光子到達(dá)傳感器所需的時(shí)間就越長。
有關(guān)場景中反射的每個(gè)光子的時(shí)間信息（研究人員稱為時(shí)間數(shù)據(jù)）都收集在一個(gè)非常簡單的圖表中。
然后，借助復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法將這些圖轉(zhuǎn)換為 3D 圖像。研究人員對(duì)算法進(jìn)行了訓(xùn)練，向它展示了團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中移動(dòng)和攜帶物體的數(shù)千張常規(guī)照片，以及同時(shí)由單點(diǎn)檢測(cè)器捕獲的時(shí)間數(shù)據(jù)。同時(shí)，他們還使用了一個(gè)非飛行時(shí)間的攝影機(jī)來拍攝場景的真實(shí) 3D 圖像。
最終，這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)足夠了解時(shí)間數(shù)據(jù)與照片的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而僅憑時(shí)間數(shù)據(jù)就可以創(chuàng)建高度準(zhǔn)確的圖像。它與飛行時(shí)間相機(jī)相比，時(shí)間圖像模糊且缺乏細(xì)節(jié)。然而，卻清楚地揭示了人們的形態(tài)。
新型成像系統(tǒng)或?qū)⒁l(fā)相機(jī)革命
加州大學(xué)伯克利分校的計(jì)算機(jī)科學(xué)家兼電氣工程師 Laura Waller 表示：“乍一看，這種模棱兩可的方法似乎使問題無法解決。單像素成像，當(dāng)我第一次聽到這個(gè)概念時(shí)，我想，這應(yīng)該行得通。但仔細(xì)一想，這應(yīng)該不起作用。”
格拉斯哥大學(xué)計(jì)算科學(xué)學(xué)院數(shù)據(jù)科學(xué)研究員 Alex Turpin 博士說：“如果我們只考慮空間信息，而單點(diǎn)探測(cè)器沒有空間信息，所以單像素成像是不可能的。然而，這樣的探測(cè)器仍然可以提供有價(jià)值的時(shí)間信息。與傳統(tǒng)圖像制作不同的是，我們的方法能夠完全將光與過程分離。”
而且為了能實(shí)現(xiàn)這一目的，Alex Turpin及其同事采用了一種稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器學(xué)習(xí)程序，在使用數(shù)據(jù)集訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后，該程序能夠自行對(duì)場景中移動(dòng)的人進(jìn)行成像。
與傳統(tǒng)的攝像機(jī)不同的是，收集時(shí)間數(shù)據(jù)的單點(diǎn)探測(cè)器體積小、重量輕且價(jià)格便宜，這意味著它們可以輕松地添加到現(xiàn)有系統(tǒng)中，例如被用作自動(dòng)駕駛汽車的攝像頭，以提高尋路的準(zhǔn)確性和剎車反應(yīng)速度。
另外，它們可以增強(qiáng)移動(dòng)設(shè)備中現(xiàn)有的傳感器，例如 Google Pixel 4，該傳感器已經(jīng)具有基于雷達(dá)技術(shù)的簡單手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)，甚至可以用下一代技術(shù)來監(jiān)視醫(yī)院患者胸腔的上升和下降，提醒著患者的呼吸變化或跟蹤運(yùn)動(dòng)，從而用符合數(shù)據(jù)安全的方式了來確保他們的安全。
Alex Turpin 博士補(bǔ)充說：“我們對(duì)自己開發(fā)的系統(tǒng)的潛力感到非常興奮，我們期待著繼續(xù)挖掘其潛力。我們的下一步目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)獨(dú)立的、便攜式的即裝即用系統(tǒng)，我們迫切希望開始研究我們的選擇，并通過商業(yè)合作伙伴的幫助進(jìn)一步開展研究。”
