我國(guó)古代有一種名為磨鏡客的職業(yè)，當(dāng)布滿銹跡與劃痕的銅鏡經(jīng)過(guò)磨鏡匠人精心研磨拋光后，原本照出來(lái)模糊的影像就變得清晰可辨，效果甚至可以媲美現(xiàn)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(yè)。

磨鏡這個(gè)工藝蘊(yùn)含著一個(gè)重要的光學(xué)原理：當(dāng)物體表面由粗糙變得光滑時(shí)，無(wú)序的漫反射將轉(zhuǎn)化為有序的鏡面反射，從而產(chǎn)生清晰的圖像。

大家在初中物理課就學(xué)過(guò)鏡面反射和漫反射：

鏡子反射太陽(yáng)光，迎著看過(guò)去非常刺眼，但是只要適當(dāng)偏轉(zhuǎn)觀察方向就看不到反射的陽(yáng)光了，這時(shí)發(fā)生的是鏡面反射。陽(yáng)光照在墻壁上，無(wú)論從哪個(gè)方向看，都能看到墻壁被照亮了，陽(yáng)光在墻壁表面發(fā)生的是漫反射，原來(lái)的平行入射光被發(fā)射到各個(gè)方向，所以在各個(gè)方向都能看到，也不那么刺眼。無(wú)論鏡面反射還是漫反射，對(duì)每一道光線來(lái)說(shuō)，它們都遵循反射定律。

我們照鏡子時(shí)可以在鏡子里看到另一個(gè)“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(dāng)平行光線射向光滑的鏡面時(shí)，所有反射光線仍然保持原有方向關(guān)系——平行狀態(tài)，這就使得光線能在視網(wǎng)膜或感光元件上精確交匯，形成與物體幾何結(jié)構(gòu)一致的清晰像。

而對(duì)漫反射來(lái)說(shuō)，由于反射表面凹凸不平，光線被反射到各個(gè)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(qū)域，但整體反射光的方向被隨機(jī)打亂，無(wú)法在視網(wǎng)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(shí)反射著局部影像，眼睛卻識(shí)別不出整體的像。

近期中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)證明粗糙表面的漫反射也能夠形成有序的像。也就是說(shuō)，粗糙的墻壁也能當(dāng)鏡子照了。

▲基于粗糙表面調(diào)制的被動(dòng)非視域成像示意

研究團(tuán)隊(duì)采用了什么黑科技來(lái)應(yīng)對(duì)漫反射后光線的雜亂無(wú)序呢？

解鈴還須系鈴人，應(yīng)對(duì)的關(guān)鍵就在墻壁粗糙的表面上。

根據(jù)光路可逆原理，光線作為電磁波沿著一定的線路傳播，在沒(méi)有發(fā)生強(qiáng)散射或吸收的情況下，可以按照原路方向返回通過(guò)發(fā)光點(diǎn)。就是說(shuō)，如果一條光線從A點(diǎn)射向B點(diǎn)，那么反向傳播的光線也會(huì)沿同樣的軌跡從B點(diǎn)回到A點(diǎn)。

雖然物體發(fā)出信號(hào)光經(jīng)過(guò)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(xì)節(jié)，就有可能還原出原物體的樣貌。這個(gè)還原過(guò)程是通過(guò)計(jì)算完成的，并不是真正的讓光路原路返回。打個(gè)比方，入射光是輸入，反射光是輸出，墻壁的作用就是對(duì)輸入（入射光）進(jìn)行編碼。假如“輸出=輸入+2”，我們只要對(duì)輸出結(jié)果做一個(gè)逆運(yùn)算，“輸出-2=輸入”，就可以得到原輸入數(shù)據(jù)了。

讓墻壁能當(dāng)鏡子照，不靠打磨拋光，靠算法。

原理說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單，操作起來(lái)頗具挑戰(zhàn)。墻壁表面的幾何結(jié)構(gòu)比平面鏡復(fù)雜多了，研究團(tuán)隊(duì)要實(shí)現(xiàn)墻壁反射的逆運(yùn)算，還要攻克一系列算法難題。

▲成像原理與過(guò)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(guò)微觀尺度解析其幾何形貌和材料的反射特性。當(dāng)物體發(fā)出的信號(hào)光經(jīng)墻面微觀凹凸結(jié)構(gòu)散射后，會(huì)形成獨(dú)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(biāo)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(tuán)隊(duì)還建立了精確的被動(dòng)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(guī)律。結(jié)果顯示，墻壁越粗糙，成像不一定越差。

最后，在微觀模型基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)發(fā)展了非侵入式標(biāo)定方法，相較于傳統(tǒng)散射成像/無(wú)透鏡成像需在目標(biāo)表面放置“引導(dǎo)星”來(lái)標(biāo)定光傳輸矩陣的侵入式操作，非侵入式標(biāo)定方法大幅提升了實(shí)用價(jià)值。

值得注意的是，研究團(tuán)隊(duì)在2021年3月就實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)國(guó)際最遠(yuǎn)距離（1.43千米）非視域成像。

所謂非視域成像技術(shù)（Non-line-of-sight imaging），就是對(duì)隱藏在視線外的物體進(jìn)行拍照，實(shí)現(xiàn)“隔墻觀物”。團(tuán)隊(duì)2021年的非視域成像實(shí)現(xiàn)過(guò)程采用的是主動(dòng)出擊，向墻壁發(fā)射激光脈沖，這束激光脈沖，會(huì)經(jīng)過(guò)墻壁，照在墻后的物體上。然后，物體會(huì)把一小部分脈沖信號(hào)反射回來(lái)，再次經(jīng)過(guò)墻壁后，被探測(cè)器接收，整個(gè)過(guò)程激光經(jīng)歷了三次漫反射。最后，計(jì)算機(jī)通過(guò)分析探測(cè)器接收到的脈沖延遲了多久，形狀發(fā)生了何種變化，來(lái)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(biāo)，屬于主動(dòng)成像。團(tuán)隊(duì)在2021年的突破是把非視域成像的距離從幾米開(kāi)外，直接延長(zhǎng)到了1.4千米，這是非常了不起了。

▲主動(dòng)非視域成像示意圖

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

雖然沒(méi)有了外部激光脈沖的輔助，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，被動(dòng)非視域成像效果同樣出色，并實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)突破性性能：

?亞毫米級(jí)分辨率：將非視域成像分辨率提升亞毫米尺度（下圖a）；

?實(shí)時(shí)成像：實(shí)現(xiàn)25幀/秒實(shí)時(shí)成像速度；

?超大視場(chǎng)角：不受記憶效應(yīng)等限制，可重建近90°大視場(chǎng)場(chǎng)景（下圖b）；

?鑰匙孔成像：首次通過(guò)1毫米級(jí)小孔實(shí)現(xiàn)被動(dòng)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(wú)需侵入式接觸或操控隱藏場(chǎng)景即可成像。

▲高分辨、大視場(chǎng)、鎖孔成像演示

▲全彩色成像演示

總結(jié)

該研究顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)知——粗糙表面從成像障礙轉(zhuǎn)變?yōu)樘嵘上衲芰Φ摹疤烊煌哥R”。“磨鏡客”這一古老的職業(yè)被賦予了算法技能，行走在數(shù)字時(shí)代。我們可以看到遙遠(yuǎn)的宇宙深空，可以洞察微觀世界，可以隔墻觀物，都離不開(kāi)成像技術(shù)，離不開(kāi)數(shù)字時(shí)代的磨鏡客。

來(lái)源：墨子沙龍

編輯：yhc

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