我國古代有一種名為磨鏡客的職業，當布滿銹跡與劃痕的銅鏡經過磨鏡匠人精心研磨拋光后，原本照出來模糊的影像就變得清晰可辨，效果甚至可以媲美現代的玻璃鏡子。由于銅鏡需定期打磨才能保持成像清晰，這便催生了“磨鏡客”這一特色職業。

磨鏡這個工藝蘊含著一個重要的光學原理：當物體表面由粗糙變得光滑時，無序的漫反射將轉化為有序的鏡面反射，從而產生清晰的圖像。

大家在初中物理課就學過鏡面反射和漫反射：

鏡子反射太陽光，迎著看過去非常刺眼，但是只要適當偏轉觀察方向就看不到反射的陽光了，這時發生的是鏡面反射。陽光照在墻壁上，無論從哪個方向看，都能看到墻壁被照亮了，陽光在墻壁表面發生的是漫反射，原來的平行入射光被發射到各個方向，所以在各個方向都能看到，也不那么刺眼。無論鏡面反射還是漫反射，對每一道光線來說，它們都遵循反射定律。

我們照鏡子時可以在鏡子里看到另一個“自己”，鏡子里的人就是“像”。

鏡面成像的奧秘在于鏡面反射完美的秩序性。當平行光線射向光滑的鏡面時，所有反射光線仍然保持原有方向關系——平行狀態，這就使得光線能在視網膜或感光元件上精確交匯，形成與物體幾何結構一致的清晰像。

而對漫反射來說，由于反射表面凹凸不平，光線被反射到各個方向，破壞了原有入射光方向的一致性，即使存在局部鏡面反射的微小區域，但整體反射光的方向被隨機打亂，無法在視網膜上形成有序的像。就像許多面朝向各異的微小鏡子，每面小鏡子都忠實反射著局部影像，眼睛卻識別不出整體的像。

近期中國科大潘建偉教授團隊發表于國際著名期刊《Optica》上的一篇文章，證明粗糙表面的漫反射也能夠形成有序的像。也就是說，粗糙的墻壁也能當鏡子照了。

▲基于粗糙表面調制的被動非視域成像示意

研究團隊采用了什么黑科技來應對漫反射后光線的雜亂無序呢？

解鈴還須系鈴人，應對的關鍵就在墻壁粗糙的表面上。

根據光路可逆原理，光線作為電磁波沿著一定的線路傳播，在沒有發生強散射或吸收的情況下，可以按照原路方向返回通過發光點。就是說，如果一條光線從A點射向B點，那么反向傳播的光線也會沿同樣的軌跡從B點回到A點。

雖然物體發出信號光經過粗糙墻壁漫反射后，變得“亂七八糟”，如果能“完全”掌握墻壁表面的凹凸細節，就有可能還原出原物體的樣貌。這個還原過程是通過計算完成的，并不是真正的讓光路原路返回。打個比方，入射光是輸入，反射光是輸出，墻壁的作用就是對輸入（入射光）進行編碼。假如“輸出=輸入+2”，我們只要對輸出結果做一個逆運算，“輸出-2=輸入”，就可以得到原輸入數據了。

讓墻壁能當鏡子照，不靠打磨拋光，靠算法。

原理說起來簡單，操作起來頗具挑戰。墻壁表面的幾何結構比平面鏡復雜多了，研究團隊要實現墻壁反射的逆運算，還要攻克一系列算法難題。

▲成像原理與過程示意圖

首先需要建立粗糙墻面的微觀散射特性模型，通過微觀尺度解析其幾何形貌和材料的反射特性。當物體發出的信號光經墻面微觀凹凸結構散射后，會形成獨特光斑圖案，這種非均勻的散射特性可作為“天然信息編碼器”，能顯著降低非視域目標的重建難度，從而提升非視域成像性能。

其次，基于粗糙表面微觀模型，研究團隊還建立了精確的被動非視域成像前向模型，找到了揭示了“粗糙表面如何影響非視域成像”的一些規律。結果顯示，墻壁越粗糙，成像不一定越差。

最后，在微觀模型基礎上，團隊發展了非侵入式標定方法，相較于傳統散射成像/無透鏡成像需在目標表面放置“引導星”來標定光傳輸矩陣的侵入式操作，非侵入式標定方法大幅提升了實用價值。

值得注意的是，研究團隊在2021年3月就實現了當時國際最遠距離（1.43千米）非視域成像，和國際最遠距離（200千米）單光子成像。

所謂非視域成像技術（Non-line-of-sight imaging），就是對隱藏在視線外的物體進行拍照，實現“隔墻觀物”。團隊2021年的非視域成像實現過程采用的是主動出擊，向墻壁發射激光脈沖，這束激光脈沖，會經過墻壁，照在墻后的物體上。然后，物體會把一小部分脈沖信號反射回來，再次經過墻壁后，被探測器接收，整個過程激光經歷了三次漫反射。最后，計算機通過分析探測器接收到的脈沖延遲了多久，形狀發生了何種變化，來反推墻壁后面藏著的物體是什么形狀的。由于依賴外部激光脈沖照射目標，屬于主動成像。團隊在2021年的突破是把非視域成像的距離從幾米開外，直接延長到了1.4千米，這是非常了不起了。

▲主動非視域成像示意圖

下面我們將主動非視域成像技術（傳統）與新技術做個比較，便于大家更直觀感受新技術的厲害！

雖然沒有了外部激光脈沖的輔助，但實驗結果顯示，被動非視域成像效果同樣出色，并實現了多項突破性性能：

?亞毫米級分辨率：將非視域成像分辨率提升亞毫米尺度（下圖a）；

?實時成像：實現25幀/秒實時成像速度；

?超大視場角：不受記憶效應等限制，可重建近90°大視場場景（下圖b）；

?鑰匙孔成像：首次通過1毫米級小孔實現被動非視域成像（下圖3c）；

?全彩色還原：單張灰度圖中解碼全彩信息，覆蓋400-655納米；

?完全非侵入：無需侵入式接觸或操控隱藏場景即可成像。

▲高分辨、大視場、鎖孔成像演示

▲全彩色成像演示

總結

中國科大研究團隊研究首次證明粗糙表面的微觀散射特性可轉化為計算成像優勢，攻克了被動非視域成像領域長期存在的空間混疊與病態逆問題兩大技術瓶頸。通過物理模型與算法協同優化，團隊成功將普通墻面變為“天然編碼器”，實現了低成本、高分辨率、實時全彩的隱蔽場景探測新方案，為安防、醫療和自動駕駛等場景提供了創新技術路徑。該研究顛覆了傳統認知——粗糙表面從成像障礙轉變為提升成像能力的“天然透鏡”。“磨鏡客”這一古老的職業被賦予了算法技能，行走在數字時代。我們可以看到遙遠的宇宙深空，可以洞察微觀世界，可以隔墻觀物，都離不開成像技術，離不開數字時代的磨鏡客。