偷窺利器？將白牆變成鏡子，這種演算法僅用散射光即可重建圖像

知識 01-28

研究中一組用於演算法重建的圖像。

不需要鏡子也能看到視野之外的東西？這不是科幻小說，而是真實能夠實現的，只要一台普通的相機，加上一定的演算法。再模糊的影像，也能重建在你眼前。來自波士頓大學的研究人員就像我們展示了這一出科學的魔術。

撰文丨李曉慧

當你想看到視線之外的事物時，往往需要一面鏡子，比如汽車上的後視鏡，或是窺探敵情的潛望鏡。在過去的十年中，光學研究人員已經證明，如果要看到視線外的物體，鏡子不是必需之物。用外來激光器發射脈衝，再加上能夠探測單光子的高性能感測器，也可以重現視線外的事物。

不過，最近波士頓大學研究人員發表在Nature雜誌上的一篇論文展示了一種演算法，不需要昂貴而複雜的設備，只要一台普通的400萬像素的數碼相機，再加上他們設計的演算法，就可以重建視線外的景象。換句話說，肉眼在白牆上看到的只是一個模糊的影子，但是波士頓大學的研究人員卻能從中重建出原始圖像。

「這不是魔術！」波士頓大學的研究者擔心有人感到困惑，特彆強調。

先來猜猜下面的圖片都是誰的影子？

用數碼相機拍攝光影的照片，並經過計算之後，重建出了如下圖像：

而原圖是什麼樣的呢？

波士頓大學的研究人員，論文的共同作者Vivek Goyal認為，由於並不需要複雜的硬體，未來這樣的應用有可能變成手機上的一個App，不過他也提醒，這種應用可能會很有趣，但也有可能帶來一些有點可怕的應用。

目前，論文作者認為他們設計的演算法可用於監控危險的環境，比如燃燒和倒塌的建築物，也可以用於導航和監測「隱藏的對手」。

我們知道，當光線照射到鏡子表面的時候，它們會以同樣的角度進行反射，就像在原子尺度上一個個小球在完全平坦的表面反彈。但是牆壁從原子尺度上看非常粗糙，當光線照射到牆壁時，它們向各個角度散射光線。由於粗糙的表面會擾亂來自不同方向的光線，因此我們的眼睛無法識別它究竟來自何處，看起來就是一團模糊的影子。

那麼，研究人員是如何做到從一團模糊的影子中還原圖像的呢？他們在波士頓大學一間沒有窗戶的房間中展示了整個過程。

在這個黑暗的房間中，一個顯示器展示著一幅幅圖畫，屏幕的閃爍在對面的牆壁上產生了昏暗、模糊的光影。相機放在三腳架上，快速拍攝牆上的光影，總曝光時間為3秒鐘，然後將拍攝的所有圖片輸入計算機程序，幾分鐘之後，就得到了重建後圖像。

幾年前，MIT媒體實驗室的科學家們曾經用激光完成過類似的任務。他們布置了如下這樣的場景：相機與3D模型用一面牆分隔開來，這讓模型不會出現在相機的視野中，對面有一個牆壁。

當激光器發射出激光束後，激光在到達牆面時會發生散射，一部分光子進入到相機，一部分光子散射到模型身上並再次發生散射，如此往複。因為光子經歷的路程不同，光線到達相機鏡頭的時間也有差異。利用這些差異，就可以反推出它們經歷的距離，進而計算出視線外牆的另外一側究竟是什麼。

下圖可以看到經過計算後，重建出的3D模型小人。

MIT的研究人員認為，利用這種技術可以看到隱藏著的人或物體。這種技術未來可以用於多個場景，比如轉載於車上避免轉彎時容易發生的事故、尋找火災現場無法看到的受困者、用於醫療上對身體內部的探查……

但MIT的方案中有一個劣勢：貴！他們需要使用飛秒激光器和高速掃描相機，這些設備不僅昂貴，而且也很複雜。那麼，波士頓大學此次的試驗為何可以摒棄這些昂貴且複雜的設備？秘訣就在於一個不透明的擋板，這也是整個試驗的關鍵。

研究人員在顯示圖像的屏幕與牆壁之間放置了一個不透明的遮擋物，這一遮擋物會阻擋來自顯示屏的部分光線，這種效應有點類似於部分月食，地球會阻擋部分太陽光照射到月球。隨著遮擋物前後左右的移動，牆壁上的模糊光影也會隨之發生改變，數碼相機會捕捉光影的變化，也是基於這樣的變化，研究人員才能夠創建演算法，從光影中重建原始圖像。