[论文解读] Tracking moving objects through scattering media via speckle correlations

Y. Jauregui-Sánchez, Harry Penketh+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2022

Random lasers and scattering media被引用 4

一句话总结

本文提出了一种实时、低复杂度的方法，通过时间变化的散斑图案的互相关性，实现对散射介质后方运动目标的跟踪。通过计算连续帧之间散斑强度的互相关与自相关之间的差值，该技术可分离出运动信号，从而在极低计算量下实现超越光学记忆效应范围的跟踪，且无需图像重建。

ABSTRACT

Scattering can rapidly degrade our ability to form an optical image, to the point where only speckle-like patterns can be measured. Truly non-invasive imaging through a strongly scattering obstacle is difficult, and usually reliant on a computationally intensive numerical reconstruction. In this work we show that, by combining the cross-correlations of the measured speckle pattern at different times, it is possible to track a moving object with minimal computational effort and over a large field of view.

研究动机与目标

• 解决在强散射介质后方因散斑退化导致传统成像失效时，对运动目标进行跟踪的挑战。
• 通过聚焦于运动追踪而非完整图像恢复，克服透过散射介质成像带来的计算负担。
• 通过利用散斑图案中的时间相关性，实现实时追踪并保持极低的计算成本。
• 通过利用背景散斑相关性，将有效视场扩展至超越光学记忆效应范围。
• 开发一种对复杂场景中静态背景具有鲁棒性的方法，通过从互相关中减去静态成分来实现。

提出的方法

• 使用无透镜CMOS相机测量从隐藏在散射介质后的场景获取的时间序列散斑强度图案。
• 计算连续时间步长之间散斑图案的互相关性，以提取与运动相关的信息。
• 应用互相关与自相关之间的差值，以抑制静态背景的贡献。
• 利用所得信号（均值为零且编码了运动方向）生成可解释的运动图像帧。
• 利用仅在记忆效应范围内相关的散斑图案对信号有贡献的事实，即使物体移出标准记忆范围，也能实现跟踪。
• 使用双层压敏胶带减小记忆效应范围，从而增强对局部运动的敏感性，同时保持传输性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不进行完整图像重建的情况下，对隐藏在强散射介质后方的物体运动进行追踪？
• RQ2 时间变化的散斑图案的互相关性是否能以极低计算成本揭示运动信息？
• RQ3 是否能够将追踪的有效视场扩展至超越光学记忆效应范围？
• RQ4 如何在基于散斑的运动追踪中有效抑制静态背景成分？
• RQ5 该方法是否能够检测隐藏物体的平移、旋转、形变或尺寸变化？

主要发现

• 所提出的方法实现了对散射介质后方运动目标的实时追踪，计算开销可忽略不计。
• 通过从互相关中减去自相关，静态背景成分被有效抵消，仅留下由运动引起的信号。
• 只要物体仍与至少一个静态背景点保持相关性，即使其移出光学记忆效应范围，该技术仍能成功追踪运动。
• 所得运动信号以运动物体为中心，背景相对于其呈现运动，从而可直观地解释运动方向。
• 使用DMD生成场景并采用两层胶带的实验结果证实，即使记忆效应范围减小，运动追踪依然具有鲁棒性和有效性。
• 该方法适用于多种运动类型，包括平移、旋转和形变，且无需预先知晓物体形状或运动模型。