中国科学家首创开放新架构，实现615公里精准光纤量子通信，还可大幅降低建设成本
新华社北京3月9日电北京量子信息科学研究所袁志良团队首创了量子密钥分发的新型开放架构，利用光频梳技术，成功实现了615公里光纤量子通信。 该架构在保证量子通信安全的同时，可大幅降低系统建设成本，为我国多节点广域量子网络建设奠定基础。 相关成果近日发表在国际学术期刊《-》上。
“双场”是目前所有量子密钥分发协议中最适合长距离传输的。 北京量子信息科学研究所首席科学家袁志良介绍，双场架构下的量子通信需要两个相距较远的独立激光源发出“信号”。 如果激光源发出的“信号”频率不同，传输时就会出现“信号”错误。 如果想要避免“信号”错误，就需要一个可以在两端实现相同“信号”频率的“工具”：服务光纤。 这意味着通信两端之间需要额外架设一条“一路”，构成了由“两条路”组成的传统架构。
“传统架构意味着建设双长度光纤，成本高、复杂，系统运维成本高、难度大，不利于未来多节点广域量子安全网络的建设。” 袁志良说道。
此次中国科学家首创的新架构有何新意？ 北京量子信息科学研究所光量子通信与器件团队成员周来打了个比方：“如果想在北京和青岛之间打‘量子电话’，过去需要连接远程通信的两端。” '单程'。 当新架构出现时楼宇自控通讯线改光纤通讯，‘一种方式’就足够了。”
为了“拯救”服务光纤但保留其作用，袁志良团队首次将光频梳技术应用于双场量子密钥分配。 “光频梳技术就像将一束单频光变成多束不同频率的光，就像多个‘梳齿’一样分开。有了这个神奇的‘梳子’，无需架设服务光纤即可实现对通信两端‘信号’进行频率校准，从而实现量子信息的精确传输。” 周说。
此外，在实际的超长距离量子通信中，光纤不可避免地会出现快速抖动，这也会影响传输“信号”的准确性。 光频梳技术还可以同时解决光纤抖动问题，大大降低噪声对量子信号的影响，保证光纤量子信息长距离传输的准确性。
“作为全球首个开放架构双场量子密钥分发系统，已成功实现615公里光纤量子通信，在量子通信的实现上取得了创新性突破。” 《自然-通讯》审稿人之一量子通信科学家王爽8日接受记者采访时表示，这种新架构将帮助光纤量子密钥分发距离突破千公里级别，奠定基础为我国未来建设多节点广域量子网络。
360度全景摄像技术原理介绍
通常，只有在必要时，我们才会不遗余力地尝试在狭小的空间内安装视频监控设备。 正当人们即将习惯忍受这种架设行为（需求的内在矛盾所造成）时，一股新生力量悄然出现——360度全景摄像机。
过去，当我们尝试在狭小的空间内搭建监控系统时，我们采用了几种解决方案：短焦镜头摄像机、调整安装位置、或多摄像机联动拍摄等。然而，上述方法都有所不同。应用程序缺陷； 选择短焦距镜头的摄像机时，水平视角范围小于80度（广角不能超过90度），因此监控范围较小； 调整安装位置往往会受到客观环境的影响。 由于环境的限制，影响安装的稳定性（例如一侧是玻璃，另一侧是门，顶部有电线，或者是不能承受荷重的装饰吊顶等）； 选择多机位联动拍摄，不仅增加了设备投资成本，也让施工变得更加容易。 比较麻烦。
360度全景摄像技术简介
顾名思义，360度全景摄影就是将前后左右的图像信息一次性记录下来，无需后期合成，无需多机位拼接。 其原理基于仿生学（如图1所示的鱼眼结构），采用物理光学中球面镜的透射和反射原理，将水平360度、垂直180度的信息同时成像（如图2所示） ），然后利用硬件自带的软件进行转换，以人眼习惯的方式呈现图片。
图1 鱼眼结构
图2 鱼眼镜头硬件原理图
鱼眼镜头是一种特殊的超广角镜头，其视觉效果类似于鱼眼镜头观察水面上的风景。 鱼眼的结构与人眼相似楼宇自控监控原理图，但与扁圆的人眼晶体相比，鱼眼晶体呈球形。 虽然它们只能看到相对较近的物体，但它们的视角更大。
图3中，人眼看水中的真实物体，由于真实物体反射的光在水中发生折射，使人误认为物体处于虚像的位置（如筷子在水中的弯曲现象）。 根据折射原理，当光从空气倾斜入射到水等介质中时，折射角小于入射角； 当光从水等介质倾斜入射到空气中时，折射角大于入射角。 还可以概括地讲，当光从一种介质倾斜入射到另一种介质时，传播方向通常会发生变化。 鱼眼镜头是利用折射原理，以具有较大的球面弧度（类似鱼眼球面晶体）的设计思想而开发制造的，成像平面离镜头更近（鱼眼晶体之间的距离）并且视网膜非常接近）。 。
一般来说，焦距越短，视角越大，而视角越大，光学原理造成的畸变越强。 为了实现水平360度、垂直180度的超大视角，鱼眼镜头允许合理的桶形畸变。 除了画面中央的场景外，其他本应水平或垂直的场景都发生了相应的变化。 为了将畸变图像转换为适合人眼的正常图像，需要通过软件对图像进行坐标变换，并进行图像校正等处理。
图4以日本FXC鱼眼镜头为例，简单介绍360相机软件处理的基本流程：
对360度全景图片进行坐标转换并进行图像增强处理，截取部分信息
图4 软件处理流程
图5是日本全景处理系统中将圆形图像转换为平面图像的原理和方程。 通过PC端软件或嵌入式处理系统的计算处理，呈现出人眼习惯的平面图像。
图5 软件处理中使用的方程
两款360度摄像头产品特点
1. 压倒性的广角摄像头
水平360度、垂直180度全景相机颠覆了以往广角相机的概念。 对于360度产品，
视频监控没有死角。
图6 一般相机视角
图7 360度摄像头视角
2.球面图像可以转换为正常的平面视图
鱼眼相机拍摄的图像经过相机内部软件校正和图像扩展后，可以转换为适合人眼的正常平面视图。
图8 平面展开实景
3、降低成本。
与传统摄像机视频监控系统相比，采用全方位可视的360度摄像机，可以有效减少摄像机数量，减少多路输入硬盘录像机的投资，降低施工和布线难度，并节省后续维护成本。
4、可接入现有视频监控系统
360度摄像机可以无缝连接现有的模拟监控系统，并且具有良好的扩展性。 通过铜轴电缆与普通硬盘录像机连接，实现360度全景监控。
三个应用案例
360度全景摄像机可广泛应用于大厦大厅、出入口、电梯、会议室、餐厅、停车场、工厂内多个场合。 下面是利用360度全景摄像设备实现的监控示例。
狭窄客车车厢内的应用（如图9、图10所示）。 本例中，日本FXC的360全景摄像头安装在车中部，只需一台设备即可实现无盲点的全景视频监控。 如果采用传统的摄像头监控，大约需要4台设备才能覆盖一辆车的整个区域。 在狭小的空间内，会破坏美感，容易引起乘客的不适。
图9 车内球面成像
图10 车载成像扩展
某公司会议室的应用（如图11）。 在这种情况下，结合音视频录制设备和360全景摄像技术，只需一台设备即可真实记录整个会议。 将记录的数据上传至服务器，可供日后查看或由相关授权人员读取。 该系统来自日本FXC株式会社，是会议录音行业的终极设备。
图11 会议室三种视觉处理（原始图像、二分图像、象限图像）
如上例所示，360度全景相机可以全景拍摄周围环境的图像信息。 可以在狭小的空间内自由应用，并能消除死角和盲点。 如果不考虑整体尺寸，按照市场上现有的2.8mm（75度）广角相机组合，实现360度“全景”相机的视场角，{（360÷75≈5） )+(180 ÷ 75 ≈ 2 )} ≈ 7 个单位。
其他四个特点
除了上述功能外，独特的360度全景虚拟云台技术（如图11），在回放图像时可以体验放大/缩小和旋转操作，完全可以替代电机- 传统高速球中驱动云。 控制台控制系统。 有了虚拟云台的技术基础，一方面，虚拟现实的实现会更加容易； 另一方面，将减少机械电机部件，更大程度地降低设备功耗和发热，减少设备摩擦损失，延长设备和系统的使用寿命。
采用360度全景摄像机，小空间内的视频监控系统有了一套全新的解决方案，可以解决观看距离、视角、安装、成本控制等各种问题。
图12 日本FXC摄像机虚拟云台操作示例
五结论
360度全景能够真实、快速地展示360度范围内场景的所有图像信息，能够给观看者带来身临其境的感觉。 在各种应用场景下，优势更加明显。 除了监控行业外，在产品展示、视频教学、视听娱乐、虚拟现实等方面也能发挥巨大作用； 相信在不久的将来，这种图像技术将会应用到各个行业。
