偷窥利器？将白墙变成镜子，这种算法仅用散射光即可重建图像

昆仑圃 2019-01-28

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研究中一组用于算法重建的图像。

不需要镜子也能看到视野之外的东西？这不是科幻小说，而是真实能够实现的，只要一台普通的相机，加上一定的算法。再模糊的影像，也能重建在你眼前。来自波士顿大学的研究人员就像我们展示了这一出科学的魔术。

撰文丨李晓慧

当你想看到视线之外的事物时，往往需要一面镜子，比如汽车上的后视镜，或是窥探敌情的潜望镜。在过去的十年中，光学研究人员已经证明，如果要看到视线外的物体，镜子不是必需之物。用外来激光器发射脉冲，再加上能够探测单光子的高性能传感器，也可以重现视线外的事物。

不过，最近波士顿大学研究人员发表在Nature杂志上的一篇论文展示了一种算法，不需要昂贵而复杂的设备，只要一台普通的400万像素的数码相机，再加上他们设计的算法，就可以重建视线外的景象。换句话说，肉眼在白墙上看到的只是一个模糊的影子，但是波士顿大学的研究人员却能从中重建出原始图像。

“这不是魔术！”波士顿大学的研究者担心有人感到困惑，特别强调。

先来猜猜下面的图片都是谁的影子？

用数码相机拍摄光影的照片，并经过计算之后，重建出了如下图像：

而原图是什么样的呢？

波士顿大学的研究人员，论文的共同作者Vivek Goyal认为，由于并不需要复杂的硬件，未来这样的应用有可能变成手机上的一个App，不过他也提醒，这种应用可能会很有趣，但也有可能带来一些有点可怕的应用。

目前，论文作者认为他们设计的算法可用于监控危险的环境，比如燃烧和倒塌的建筑物，也可以用于导航和监测“隐藏的对手”。

我们知道，当光线照射到镜子表面的时候，它们会以同样的角度进行反射，就像在原子尺度上一个个小球在完全平坦的表面反弹。但是墙壁从原子尺度上看非常粗糙，当光线照射到墙壁时，它们向各个角度散射光线。由于粗糙的表面会扰乱来自不同方向的光线，因此我们的眼睛无法识别它究竟来自何处，看起来就是一团模糊的影子。

那么，研究人员是如何做到从一团模糊的影子中还原图像的呢？他们在波士顿大学一间没有窗户的房间中展示了整个过程。

在这个黑暗的房间中，一个显示器展示着一幅幅图画，屏幕的闪烁在对面的墙壁上产生了昏暗、模糊的光影。相机放在三脚架上，快速拍摄墙上的光影，总曝光时间为3秒钟，然后将拍摄的所有图片输入计算机程序，几分钟之后，就得到了重建后图像。

几年前，MIT媒体实验室的科学家们曾经用激光完成过类似的任务。他们布置了如下这样的场景：相机与3D模型用一面墙分隔开来，这让模型不会出现在相机的视野中，对面有一个墙壁。

当激光器发射出激光束后，激光在到达墙面时会发生散射，一部分光子进入到相机，一部分光子散射到模型身上并再次发生散射，如此往复。因为光子经历的路程不同，光线到达相机镜头的时间也有差异。利用这些差异，就可以反推出它们经历的距离，进而计算出视线外墙的另外一侧究竟是什么。

下图可以看到经过计算后，重建出的3D模型小人。

MIT的研究人员认为，利用这种技术可以看到隐藏着的人或物体。这种技术未来可以用于多个场景，比如转载于车上避免转弯时容易发生的事故、寻找火灾现场无法看到的受困者、用于医疗上对身体内部的探查……

但MIT的方案中有一个劣势：贵！他们需要使用飞秒激光器和高速扫描相机，这些设备不仅昂贵，而且也很复杂。那么，波士顿大学此次的试验为何可以摒弃这些昂贵且复杂的设备？秘诀就在于一个不透明的挡板，这也是整个试验的关键。

研究人员在显示图像的屏幕与墙壁之间放置了一个不透明的遮挡物，这一遮挡物会阻挡来自显示屏的部分光线，这种效应有点类似于部分月食，地球会阻挡部分太阳光照射到月球。随着遮挡物前后左右的移动，墙壁上的模糊光影也会随之发生改变，数码相机会捕捉光影的变化，也是基于这样的变化，研究人员才能够创建算法，从光影中重建原始图像。