超快成像，從二維到準(zhǔn)三維

多視角成像；提取與重建；準(zhǔn)三維

通過(guò)成像分析物體特性是科學(xué)研究和工程應(yīng)用中的一項(xiàng)基本策略。二維成像可以在平面上呈現(xiàn)物體的二維信息，但不能包含逼真的立體結(jié)構(gòu)。

為了增強(qiáng)2D成像的立體特性，使用透視原理將物體投影到畫布或圖像上，以創(chuàng)建三維感。但無(wú)論對(duì)圖像進(jìn)行何種處理，這種立體感都是虛擬的，觀察者無(wú)法感知圖像中物體的真實(shí)空間結(jié)構(gòu)和內(nèi)部細(xì)節(jié)。

當(dāng)觀察對(duì)象從穩(wěn)態(tài)對(duì)象轉(zhuǎn)變?yōu)槌爝^(guò)程時(shí)，現(xiàn)有的2D成像方法面臨巨大挑戰(zhàn)。超短時(shí)間尺度上發(fā)生的光束傳播、化學(xué)反應(yīng)和物理變形等過(guò)程具有明顯的三維特征，即每個(gè)維度的特征在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化。

二維成像方法直接缺乏一維，導(dǎo)致在超快三維過(guò)程中描述物質(zhì)的幾何結(jié)構(gòu)、空間關(guān)系和固有特性時(shí)出現(xiàn)失真。

北京理工大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出一種超快準(zhǔn)三維技術(shù)，克服了二維圖像信息缺失和特征不完整的缺點(diǎn)，可以分析超快過(guò)程的三維特征。

這項(xiàng)研究發(fā)表在International Journal of Extreme Manufacturing上，展示了如何在二維信息收集的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)三維特征分析。

通過(guò)垂直偏振成像，獲得具有高信噪比的反射透射圖像。通過(guò)比較這兩種觀點(diǎn)，成功地區(qū)分了相變機(jī)制，闡明了等離子體衍射現(xiàn)象。

此外，重建的準(zhǔn)三維圖像使用歐拉角旋轉(zhuǎn)的乘積，這允許對(duì)等離子體的任何橫截面進(jìn)行光學(xué)性質(zhì)分析。這揭示了三維空間中早期等離子體收縮和發(fā)散形態(tài)的不對(duì)稱性。

圖1 超快準(zhǔn)三維成像示意圖。（a）頂端成像和（b）側(cè)面成像組合在一起，實(shí)現(xiàn)如圖（c）所示的多視角同時(shí)成像，底部為圖像處理步驟，包括（d）識(shí)別、（e）提取、（f）旋轉(zhuǎn)相乘和（g）取交集。

“這種準(zhǔn)三維成像方法突破了原始觀測(cè)維度的限制，增強(qiáng)了我們?nèi)娣治龀爝^(guò)程的能力?！痹撗芯康耐ㄓ嵶髡呓m說(shuō)：“未來(lái)，它將在揭示激光與物質(zhì)之間的相互作用方面發(fā)揮重要作用?！?/p>

“使用準(zhǔn)三維成像方法，我們可以分析三維空間中超快過(guò)程的形狀和性質(zhì)的變化，”該論文的第一作者連以玲說(shuō)。

盡管探索激光誘導(dǎo)的超快過(guò)程在強(qiáng)場(chǎng)物理、流體動(dòng)力學(xué)和先進(jìn)制造中至關(guān)重要，但超快過(guò)程很難深入理解，因?yàn)榧す鈭?chǎng)的不均勻空間分布在與材料相互作用時(shí)會(huì)觸發(fā)各種非平衡過(guò)程，導(dǎo)致不同的光學(xué)性質(zhì)和復(fù)雜的激發(fā)區(qū)形態(tài)。

為了深入研究潛在的消融機(jī)制，研究人員使用飛秒泵浦探針成像來(lái)研究瞬態(tài)光學(xué)特性。然而，在信號(hào)采集過(guò)程中，這些燒蝕過(guò)程對(duì)目標(biāo)材料的光學(xué)響應(yīng)具有顯著影響。因此，僅根據(jù)所獲得的反射圖像來(lái)區(qū)分這兩個(gè)因素對(duì)反射率的單獨(dú)影響是具有挑戰(zhàn)性的。

然而，在傳統(tǒng)的單視圖成像技術(shù)中，3D信息被投影到二維平面上，有效地分析了二維過(guò)程的演變。然而，在強(qiáng)激發(fā)下，物質(zhì)的形狀和性質(zhì)在三維空間中發(fā)生變化，并伴隨著折射和散射等干擾信號(hào)。

姜問(wèn)道：“我們可以用雙目成像的原理來(lái)引入另一種成像視角嗎？”

姜認(rèn)為，由于尺度極短，兩種視角的時(shí)間和空間同步對(duì)實(shí)驗(yàn)的成功至關(guān)重要。在姜的指導(dǎo)下，連利用正交偏振光從兩個(gè)角度同時(shí)成像，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的信號(hào)采集。他們綜合了兩個(gè)視點(diǎn)的圖像特征，重建了一個(gè)三維矩陣。他們稱這種方法為“準(zhǔn)三維成像”。

結(jié)果表明，準(zhǔn)三維成像不僅比以往的成像方法更全面地了解了等離子體動(dòng)力學(xué)，而且在強(qiáng)場(chǎng)物理、流體動(dòng)力學(xué)和尖端制造等相關(guān)領(lǐng)域具有揭示各種復(fù)雜超快現(xiàn)象的廣闊潛力。