編者按：第一眼看到文章的標(biāo)題，大家肯定會(huì)不約而同地想到：“Isn’t it amzing that computers can read through a book page by page without opening it”?講真，我們文章的作者，來自MIT Media Lab的A. R. Sanchez, B. Heshmat, A. Aghasi等研究員們，將為大家詳細(xì)講述如何運(yùn)用太赫茲時(shí)柵光譜成像技術(shù)從層狀結(jié)構(gòu)中，如一本閉合著的富有文化價(jià)值的古籍，提取文本內(nèi)容。不同于X射線或超聲波，該成像技術(shù)能夠區(qū)分頁與頁之間、空白頁與有文字的頁之間的差異，透讀9頁紙張上的內(nèi)容。目前，研究員們正在繼續(xù)努力，以期實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的突破，提升該項(xiàng)技術(shù)在工業(yè)、文化遺產(chǎn)研究等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

 在傳統(tǒng)意義上，飛行時(shí)間成像技術(shù)一般應(yīng)用于快速成像（飛秒攝影Femto photography）和復(fù)雜的幾何圖形成像（如在拐角處或漫射器內(nèi)成像）。由于光速將時(shí)間與空間緊密聯(lián)系在一起，時(shí)間分辨率越高，空間分辨率也將隨之增加。在我們的最新研究中，我們將從100千兆赫茲到3太赫茲范圍內(nèi)甄選出一個(gè)能夠穿透紙張或其他材料的頻段。我們也將對具有很高時(shí)間分辨率（每秒10兆幀）的光脈沖進(jìn)行取樣，取樣所得的光脈沖是我們之前的研究中所用光脈沖的20多倍。如此高的時(shí)間分辨率將空間分辨率提升到30微米左右，使將一本合著的書的頁與頁之間分開來成為可能。我們提出了一種擴(kuò)展算法使這種成像方式（可以稱之為太赫茲時(shí)間域光譜技術(shù)）既能夠成像，也能夠透讀密集的層狀結(jié)構(gòu)。這種成像技術(shù)當(dāng)然在工業(yè)檢測中能夠得到應(yīng)用，不過，也能夠用于透讀閉合著的古老文件或者檢查富有文化價(jià)值的書籍樣本。

對一些復(fù)雜樣本，如閉合的書籍，進(jìn)行非侵入性檢查當(dāng)前所面臨的三大成像技術(shù)瓶頸為：空間分辨率，光譜對比度和遮擋。我們運(yùn)用傳統(tǒng)太赫茲時(shí)間域光譜學(xué)技術(shù)的飛行時(shí)間能力，并結(jié)合其光譜能力，力圖在算法上克服這些技術(shù)瓶頸。據(jù)我們的研究報(bào)道，能夠成功地無監(jiān)督式提取一個(gè)類似于一本閉合的書籍的密集層狀結(jié)構(gòu)所包含的內(nèi)容。

基于反射所得的太赫茲電場的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，我們的技術(shù)使用類似飛行時(shí)間的測量方法來定位書中的每一頁。層定位結(jié)束后，我們運(yùn)用一種新型時(shí)柵光譜分析方法，這種分析方法能夠調(diào)整每一頁的頻率，使之對應(yīng)光譜域中對比度最高的幀。隨著頁碼的增加，我們采用的研究方法能夠產(chǎn)生一種等級(jí)凸顯效果，為每一頁排序。當(dāng)使用一種最近才提出的能夠識(shí)別出每一頁被遮擋的字母的方法后，整個(gè)成像過程便宣告結(jié)束。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，我們已經(jīng)能夠成功地從一扎至少9頁帶有文字的紙張中提取出字母。

由于工業(yè)界有不計(jì)其數(shù)的層狀結(jié)構(gòu)，每層的厚度大約有亞毫米，和數(shù)不清的富有文化價(jià)值的文本（如文件，書籍和藝術(shù)作品），運(yùn)用THz TDS（太赫茲時(shí)間域光譜技術(shù)）從層狀結(jié)構(gòu)中提取內(nèi)容具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，我們的研究將有助于改進(jìn)THz和其他用于從層狀結(jié)構(gòu)中提取內(nèi)容的時(shí)間分辨率成像技術(shù)。

我們的研究證實(shí)了太赫茲時(shí)柵成像技術(shù)在提取深度內(nèi)容方面的實(shí)際應(yīng)用，并且為成像與傳感領(lǐng)域的研究指明了新的研究方向。我們的研究結(jié)果報(bào)告如下：

1. 與傳統(tǒng)的去卷積技術(shù)相比，THz TDS的電場統(tǒng)計(jì)結(jié)果能夠提高較深層層定位的精確度。此外，這種技術(shù)在提取脈沖方面的應(yīng)用并不依賴一種參考測量標(biāo)準(zhǔn)。

2. 太赫茲時(shí)間域光譜技術(shù)具備的飛行時(shí)間能力或時(shí)間分辨率主要能夠用于在空間內(nèi)分辨3D光譜特征（而并非用于對整個(gè)樣本作純粹的變換諧波量分析）。這將有助于我們調(diào)整文本內(nèi)部和空白頁之間微小的光譜差異，以達(dá)到凸顯文本的目的。

3. 目前提出的計(jì)算方法，如基本凸形狀分解，能夠通過精確恢復(fù)被遮擋的內(nèi)容，從而得到全新的應(yīng)用。

此外，我們的技術(shù)對以下三個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響——超快成像，計(jì)算成像和太赫茲光譜成像。我們期望，我們的研究結(jié)果將激發(fā)廣大讀者對于太赫茲時(shí)柵成像技術(shù)的濃厚興趣，同時(shí)為其檢查層狀結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)成像搭建一個(gè)新的平臺(tái)。本研究將對工業(yè)成像、地震成像領(lǐng)域的研究和文化遺產(chǎn)研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。此外，由于這種成像方式是以映像的形式為依托的，它的應(yīng)用將拓展到運(yùn)用其他類型飛行時(shí)間傳感器的遠(yuǎn)距離成像研究中。

讀者可能對與本文相關(guān)的一些問題感興趣，我們在這里簡要提及四個(gè)：

1. 我們的研究與camera future的“每秒兆幀成像”研究項(xiàng)目有什么聯(lián)系？

我們運(yùn)用相似的超快成像方法定位每一頁?；跍y量所得的太赫茲脈沖達(dá)到的時(shí)間，我們計(jì)算出每一頁的位置，然后觀察脈沖的光譜，以確定該頁的某個(gè)位置是否有墨跡。Camera future 的“每秒兆幀成像”項(xiàng)目是首個(gè)將物理學(xué)中常用的超快設(shè)置方法運(yùn)用到成像系統(tǒng)與應(yīng)用的項(xiàng)目。

2. 難道X射線或超聲波不能實(shí)現(xiàn)從層狀結(jié)構(gòu)中快速提取內(nèi)容嗎？

似乎，X射線或超聲波也能夠?qū)崿F(xiàn)讀通書本，成像；但是，與我們的THz技術(shù)相比，這類技術(shù)在亞微型鋼筆墨水或鉛筆層與空白頁之間不能形成對比對。這類方法也有其他的缺點(diǎn)，如花費(fèi)高和電離輻射。如果運(yùn)用CT的話，將很難檢測出一本閉合的書籍中頁與頁之間的差異，因而不能看到文本內(nèi)容。然而，我們的遠(yuǎn)紅外時(shí)間分辨系統(tǒng)是基于紙張吸收光譜的，這種成像技術(shù)將成為唯一一種用于逐張?zhí)崛∥谋緝?nèi)容的技術(shù)。

3.  該THz TDS成像技術(shù)的創(chuàng)新之處體現(xiàn)在哪里？

該技術(shù)的核心貢獻(xiàn)在于：

      1、運(yùn)用THz信號(hào)統(tǒng)計(jì)結(jié)果提取一層文本內(nèi)容。與傳統(tǒng)的方法相比較，這種新技術(shù)能夠運(yùn)用于更多也輸?shù)脙?nèi)容提取。

      2、運(yùn)用Kurtosis的光譜對比度來調(diào)整空白紙與有墨跡的紙張頻率域之間的細(xì)微差異。

      3、凸基本形狀匹配，能夠檢測出被遮擋的字母。

      4、我們應(yīng)用上述提到的所有技術(shù)，以便采用計(jì)算方法并利用THz時(shí)間域光譜系統(tǒng)的光譜分辨率與時(shí)間分辨率實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用。

4. 該技術(shù)的局限性體現(xiàn)在哪里？

SNR與光譜對比是當(dāng)前的主要技術(shù)瓶頸；一個(gè)具備更高性能的系統(tǒng)將有助于我們“更深地”讀書。另一局限性在于薄紙張的變形，紙張變形將導(dǎo)致信號(hào)的扭曲，近來我們的研究有志于解決這一難題。

原文鏈接

via A. R. Sanchez et al.

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