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非视域成像技术是计算成像领域中的一项新兴研究,该技术在众多领域中均有着重要的研究和应用价值,如深空探测、自动驾驶、医疗诊断、搜索救灾、反恐作战和历史考古。与传统成像技术相比,非视域成像技术可对视域之外的目标物体进行成像重建,在提供隐藏目标信息的同时,又可保证成像设备和操作人员在较远距离处对目标进行绕角成像,弥补了传统成像技术无法对视觉盲区的隐藏目标进行成像的缺陷,有效扩展了探测范围。以上因素使得非视域成像技术在计算成像领域体现出不可替代的价值,并促使其逐渐成为国际上的研究热点,而在国内非视域成像技术的研究尚处起步阶段。非视域成像技术依靠墙面、地面或窗户等作为中介反射面,利用激光发射器向中介反射面发射激光,激光经中介反射面反射后射向隐藏目标,接着由隐藏目标反射后回到中介反射面,采用探测器采集由中介反射面返回的三阶反射回波光子,提取回波光子携带的信息并通过相应成像算法对隐藏目标进行还原重建。由于采集的回波光子至少经过三次反射,其所携带的幅值信息和相位信息衰减较大,因此非视域成像技术对硬件设备的各类参数要求较高。当成像环境复杂而且成像范围较大时,由采集的微弱信号进行逆问题反向推导还原隐藏目标难度较高,重建精度和分辨率无法得到有效的保证。因此目前所有的非视域成像研究均处于实验室级别,采用理想中介反射面的同时只能在近距离下对尺寸较小的隐藏目标进行重建,与实际应用差距较大。由于硬件设备和后期重建算法的缺陷导致非视域成像技术无法应用于复杂环境中对距离较远的目标进行三维重建。因此,为了推动非视域成像技术的发展,将非视域成像技术早日应用于实际生活场景中,扩大成像范围,增加成像环境复杂度,解决非视域成像技术在真实场景中的重建问题迫在眉睫。围绕非视域成像技术目前存在的各类缺陷,本文通过构造不同成像模型建立与真实场景相符的三维模型等手段进行非视域成像分析与研究,主要研究内容和创新工作如下:1.通过对非视域成像采用的硬件设备中的探测器进行分析,提出了一种基于单光子探测器阵列的非视域瞬时成像方法。本文针对该方法中的单光子探测器阵列进行了研究,建立了相应的非视域瞬时成像模型并详细阐述了整个模型框架,基于对该成像模型求逆设计了基于单光子探测器阵列的非视域重建方法,并且设置了不同复杂度的单个和多个隐藏目标,通过采用不同尺寸的单光子探测器阵列并改变成像距离进行了多项实验,验证了成像模型和算法的有效性和适用性。2.通过和美国威斯康星大学麦迪逊分校展开合作,提出了一种基于相位场虚拟波的非视域成像模型。本文针对惠更斯-菲涅耳原理和基尔霍夫衍射公式对光波的传输和衍射进行了详细分析,将光场的概念推广到非视域成像场景中,给出了类似光场的相位场概念,用于描述光波在非视域成像场景中传输时的变化和相关特性。结合相位场传输框架,本文提出构造虚拟波模拟非视域光波传输,基于波传输将非视域成像过程看作一个线性系统,中介反射面作为采样平面对传输的虚拟波进行采样,通过对反射回的虚拟波中携带的幅值信息和相位信息进行提取还原并采用相应成像算法完成对隐藏目标的重建工作。基于该算法采用不同尺寸的单光子探测器阵列对不同复杂度的单个和多个隐藏目标进行非视域重建,验证了该成像模型和重建算法对重建图像质量的提升能力。3.在月球表面存在许多只有一个洞口裸露在外的洞穴,如果能够利用非视域成像技术在空中探测洞穴内部的场景,便可以在节约资源的同时得到洞穴内部的信息。为了使非视域成像技术与真实场景有效结合,同时为人类未来探索月球等外太空星球提供理论支撑和技术手段,本文将基于地面洞穴展开非视域成像研究。首先本文对美国新墨西哥州某处真实存在的地下洞穴进行激光雷达扫描得到其三维点云数据,应用点云表面重建算法中的径向基函数隐式曲面重建法对洞穴三维点云数据进行表面重建得到与真实洞穴形状尺寸相同的洞穴三维obj模型。将该洞穴三维obj模型作为非视域成像环境对洞穴内部隐藏场景应用相位场虚拟波非视域重建算法在不同角度不同视场下进行相应的二维和三维成像,在将非视域成像技术与真实复杂场景有效地结合起来的同时,为非视域成像技术在外太空星球探测中的应用提供了更多的理论和方法。4.基于非视域成像技术的研究提出了非视域成像技术的另一种应用方式:对隐藏目标进行定位与追踪,本文基于单光子探测器阵列提出了隐藏目标物体的绕角定位与追踪算法。利用不同场景作为非视域定位追踪实验场景,在隐藏场景内部放置不同运动轨迹的移动目标,利用提出算法根据时间先后顺序对隐藏目标在移动过程中的各个位置进行标记并对隐藏目标的运动轨迹进行了还原,验证了算法的可行性,并拓宽了非视域成像技术的应用领域。