超快成像，从二维到准三维

多视角成像；提取与重建；准三维

通过成像分析物体特性是科学研究和工程应用中的一项基本策略。二维成像可以在平面上呈现物体的二维信息，但不能包含逼真的立体结构。

为了增强2D成像的立体特性，使用透视原理将物体投影到画布或图像上，以创建三维感。但无论对图像进行何种处理，这种立体感都是虚拟的，观察者无法感知图像中物体的真实空间结构和内部细节。

当观察对象从稳态对象转变为超快过程时，现有的2D成像方法面临巨大挑战。超短时间尺度上发生的光束传播、化学反应和物理变形等过程具有明显的三维特征，即每个维度的特征在很短的时间内发生变化。

二维成像方法直接缺乏一维，导致在超快三维过程中描述物质的几何结构、空间关系和固有特性时出现失真。

北京理工大学的科学家们已经开发出一种超快准三维技术，克服了二维图像信息缺失和特征不完整的缺点，可以分析超快过程的三维特征。

这项研究发表在International Journal of Extreme Manufacturing上，展示了如何在二维信息收集的基础上实现三维特征分析。

通过垂直偏振成像，获得具有高信噪比的反射透射图像。通过比较这两种观点，成功地区分了相变机制，阐明了等离子体衍射现象。

此外，重建的准三维图像使用欧拉角旋转的乘积，这允许对等离子体的任何横截面进行光学性质分析。这揭示了三维空间中早期等离子体收缩和发散形态的不对称性。

图1 超快准三维成像示意图。（a）顶端成像和（b）侧面成像组合在一起，实现如图（c）所示的多视角同时成像，底部为图像处理步骤，包括（d）识别、（e）提取、（f）旋转相乘和（g）取交集。

“这种准三维成像方法突破了原始观测维度的限制，增强了我们全面分析超快过程的能力。”该研究的通讯作者姜兰说：“未来，它将在揭示激光与物质之间的相互作用方面发挥重要作用。”

“使用准三维成像方法，我们可以分析三维空间中超快过程的形状和性质的变化，”该论文的第一作者连以玲说。

尽管探索激光诱导的超快过程在强场物理、流体动力学和先进制造中至关重要，但超快过程很难深入理解，因为激光场的不均匀空间分布在与材料相互作用时会触发各种非平衡过程，导致不同的光学性质和复杂的激发区形态。

为了深入研究潜在的消融机制，研究人员使用飞秒泵浦探针成像来研究瞬态光学特性。然而，在信号采集过程中，这些烧蚀过程对目标材料的光学响应具有显著影响。因此，仅根据所获得的反射图像来区分这两个因素对反射率的单独影响是具有挑战性的。

然而，在传统的单视图成像技术中，3D信息被投影到二维平面上，有效地分析了二维过程的演变。然而，在强激发下，物质的形状和性质在三维空间中发生变化，并伴随着折射和散射等干扰信号。

姜问道：“我们可以用双目成像的原理来引入另一种成像视角吗？”

姜认为，由于尺度极短，两种视角的时间和空间同步对实验的成功至关重要。在姜的指导下，连利用正交偏振光从两个角度同时成像，实现了高质量的信号采集。他们综合了两个视点的图像特征，重建了一个三维矩阵。他们称这种方法为“准三维成像”。

结果表明，准三维成像不仅比以往的成像方法更全面地了解了等离子体动力学，而且在强场物理、流体动力学和尖端制造等相关领域具有揭示各种复杂超快现象的广阔潜力。