(图片来源于:Barmak Heshmat)

引言

太赫兹技术,是21世纪重要的新兴科学领域之一。最近,麻省理工学院的研究人员利用了这项技术,对于合上的书本中的书页内容进行成像,让你无需翻书,就可以阅读书中内容。

太赫兹技术简介

太赫兹泛指频率在0.1~10THz范围内、介于微波和红外线之间的电磁波。太赫兹技术,是一个交叉学科的前沿领域,世界上很多国家对这项技术都颇为重视我国政府在2005年11月专门召开了“香山科技会议”,邀请国内多位在该领域有影响的院士专门讨论我国太赫兹事业的发展方向,并制定了发展规划。


(图片来源于:维基百科)


太赫兹技术优势和应用


相对于其他电磁波段,太赫兹具有一些优势。例如,像X光和声波一样,穿透物体表面成像。另外,太赫兹的频率很高,所以其空间分辨率也很高;又因为其脉冲很短(皮秒量级)所以具有很高的时间分辨率。


太赫兹辐射,已经被广泛应用于安全检查,因为不同的化学物质,不同程度地吸收不同频率的太赫兹辐射,表现出独特的频率特征。同样,太赫兹还可以区分墨水和白纸,而X光却做不到。



(太赫兹安检成像示意图,图片来源于网络)


除此之外,太赫兹还可以应用于通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、军事等多个领域。

案例介绍

最近,麻省理工学院的研究人员,设计了一种太赫兹图像系统,能够对于合上的书进行阅读。研究人员设计了一个系统原型,测试了一堆纸张构成的书,每个书页印有一个字母。系统可准确地分辨出最上面9张纸上的字母。

研究人员称,纽约大都会博物馆,对这个技术表现出了很大的兴趣。因为,他们想要阅读一些古董书,但又不想触碰它们。除此之外,这个系统还可以用于分析任何薄层结构组织的材料,例如机器零件的涂料或者药物。

研究团队和论文发表

论文发表在最近的《自然通信》期刊上,Heshmat的论文合著者,还包括媒体艺术与科学系副教授Ramesh Raskar、媒体实验室的摄影文化小组的研究专家Albert Redo Sanchez、以及佐治亚理工学院的Alireza Aghasi和Justin Romberg。

算法简介

该研究使用了两种算法:麻省理工学院的研究人员,开发了一种算法可以从一堆纸张中的单张书页上获取图像佐治亚理工学院的研究人员开发了一种算法,可以解释单个扭曲或者不完整的字母。字母解释算法,让人感到可怕。因为,目前很多网站使用扭曲字母认证图片,来确保真人验证。但是,这个算法让这些认证图片面临失效的风险。

技术原理


太赫兹辐射,可通过短脉冲的形式激发。其传播距离,可以通过发射时间以及辐射反射到传感器的时间来推算。相对超声波,它具有更好的深度分辨率。

书页之间的空气间隔仅仅只有20微米,而系统正是利用了这个空间。由于空气和纸张的折射率差异,二者的边界会将兆赫兹辐射反射回探测器。

研究人员使用标准的兆赫兹摄像头,发出超短脉冲或者辐射。然后,摄像头的内置传感器捕捉发射的辐射,依据反射到达的时间,通过算法计算出书页之间的距离。

信号处理


由于大部分的辐射都会被书页吸收或者反射,一些辐射则在到达传感器前,在书页之间四处反弹,形成一个干扰信号。另外,传感器电子部件,也会产生背景噪声。这些构成了主要的技术挑战,所以主要研究任务就是过滤掉这些噪音信号。

为了准确的获取书页距离新型,研究人员引入算法,通过信号的到达时间,区分出真正的太赫兹反射信号。然后,再通过对于反射能量的进行两种不同测量,包括真正的反射能量和噪音数据,来提取发射表面的化学属性信息。

目前,算法可以正确地推算出从摄像头到书本顶部20张书页的距离。但是,超过9张书页,发射信号的能量会变很低,不同的频率特征将被噪音覆盖

未来展望

太赫兹成像,仍然是一个年轻的技术,然而,研究人员正持续努力,提高检测器的精准度以及辐射源的能量,让深层渗透成为可能。研究的进一步推进,需要包括计算机图像学在内的多学科交叉的贡献。

参考资料

【1】http://news.mit.edu/2016/computational-imaging-method-reads-closed-books-0909


太赫兹成像系统:让你无需翻开书本就可以阅读内容
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