拍摄与压缩同步进行的微波成像
发布时间：2013-1-23 22:13
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异向介质材料（metamaterials）具有自然界中的材料所不具备的特性，其结构都是经过特殊的人工设计，有精确的形状、大小、排列规律和方向，可以用一种非常规的方式影响声波或光波。比如，异向介质材料可以将光波“隐形”，还可以弯曲声波来，作为高噪声市区的降噪系统。而现在，美国杜克大学的研究者们利用异向介质材料的光波长泄露特性做出了一个具有新功能的器件：微波成像系统。该系统可以在拍摄的同时对图像进行压缩，而不是像我们所使用的数码相机和手机一样只能在拍摄之后进行处理。 数码相机中图片的每个像素相当于相机里的传感器所记录的一个像素的信息。传统的数码相机在收集了场景内所有光强度的信息后会利用算法丢弃一些数据，然后压缩成JPEG文件（除非你特意指定存储原始数据）。这样得到的图像质量也不差，因为丢弃掉数据大多都是冗余的。 而压缩传感旨在通过减少最初拍摄时收集的数据量来简化这个过程。其中一个方法就是2006年问世的单像素相机。这种设备利用随机模式为图像周围的像素获取信息，从本质上说，就是同时增加一些像素块的光强度值。如果你预先知道该图像的结构等信息，例如黑暗的天空对应着明亮的星群，你就可以用比传统相机更少的测量值来获取整个图像的信息。 
异向介质材料就是新型微波成像系统的“光圈” 然后，我们利用算法就可以将收集到的这组测量值与已经获得的的场景信息相结合，这样电脑就能从大量可能的重建画面中得到那张实际图像，而这只基于一小组测量值。现在，来自美国杜克大学的约翰•亨特（John Hunt）和他的同事们已经建立了一个全新的微波图像压缩系统，该系统使用了一种特殊的异向介质材料，并没有使用透镜或者反光镜，而是通过一种辐射模式来取景。使用这个新系统，研究者仅用10个测量值，就得到400个像素的数据（即压缩比为40:1）。 其工作原理是：微波穿过异向介质材料做成的薄带，内有精密设计的用塑料隔开的金属线圈。射线沿着40厘米的路径从异向介质材料里特殊的线圈中泄露出来，然后这些波相互干涉，这种模式的光波射到物体时，会在其表面反射，回到原始的异向介质材料附近的检测器里。检测器通过结合散射光束的强度和离开线圈后的波形来识别场景信息，即使这只捕捉到了进入材料的一小部分光，但已经足够了。 研究者通过发射不同频率的射线（18-26 GHz）穿过异向介质材料，来收集一个物体的不同的成像。这些频率沿着异向介质材料的波导在不同的地方漏出，就产生了一种新的辐射模式，再进入传感器。使用这组测量值，我们可以通过算法重建图像的场景，显示出视角和物体到相机的距离，而这整个计算过程只需100毫秒。这样的速度，即便对于记录移动物体也已足够。不过，目前微波或毫米波检测器还都非常昂贵，所以一般的系统大多使用更少或者更小的检测器。如果能有一个系统可以在拍摄的同时就能压缩图像，而且不用牺牲图像质量，那不失为一种减少成像成本的好方法。 这种新的异向介质材料图像压缩系统没有活动的部件和透镜，而且也很薄。同时，足够快的拍摄速度意味着，可能有一天当你在机场接受安检时，你只需径直走过一个毫米波扫描装置，而不用站在那等着检测器扫过你的身体，亨特说道。他还设想在汽车的车身上建立一个异向介质材料成像系统，制造一个可以“看穿”灰尘和雾的防撞系统。 波士顿大学的威利•帕迪拉（Willie Padilla）认为，这项新技术将引领压缩传感技术走向一个新纪元。相比传统的成像系统，抛弃透镜的微波成像系统将大大降低系统的复杂度，所以可能将会使高端照相机、X光扫描机和医用三维MRI等尖端成像设备的成本大幅降低。（果壳） |
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