雷鋒網(wǎng)按：本文作者@看風(fēng)景的蝸牛君，中科院光學(xué)工程博士。雷鋒網(wǎng)獨(dú)家首發(fā)文章，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系授權(quán)。

警匪片或恐怖片中通常會(huì)出現(xiàn)這樣一個(gè)場(chǎng)景：一伙人沿著走廊慢慢地、謹(jǐn)慎地向前走著，而另一伙人則躲在走廊盡頭的拐角后，等待著給對(duì)方突然襲擊。

每次看到這種場(chǎng)景，我就心想，要是能有一種設(shè)備可以悄無聲息的探查拐角的情況就好了。

如圖1所示，攝影機(jī)的視野只有圖中矩形的區(qū)域，而一個(gè)人躲在角落背后，該如何才能觀測(cè)到呢？

 

圖1 如何看到轉(zhuǎn)角背后的物體？（Detection and tracking of moving objects hidden from view）

由于光的波長(zhǎng)較短，日常生活中我們基本不考慮光波的衍射效應(yīng)，所以一句耳熟能詳?shù)脑捊凶觥肮庋刂本€傳播”，這就使得通常我們的視野可以由光的直線傳播路徑來框定。因此既然沒有鏡子來幫助光“拐彎”，我們也就沒法看到角落背后的物體了。

實(shí)際上，能夠讓光“拐彎”的絕不僅僅是鏡面反射，還有漫反射。漫反射大家并不陌生，我們能夠看到物體，絕大多數(shù)情況下都是因?yàn)槲矬w表面可以對(duì)光進(jìn)行漫反射。

那么什么是漫反射呢？簡(jiǎn)單來說，漫反射就是光投射在粗糙表面后，光向各個(gè)方向反射的現(xiàn)象。除了鏡子、玻璃等少數(shù)光滑表面，平常我們看到的墻壁、地板、桌椅板凳等等全都是會(huì)發(fā)生漫反射的。

鏡面反射并不會(huì)攜帶鏡子本身的信息，因此我們照鏡子時(shí)看清的并不是鏡面的細(xì)節(jié)，而是鏡子反射的物體的信息。而由于漫反射的存在，使得光源的光在物體表面向各個(gè)方向散開，攜帶了物體的信息，于是我們站在物體周圍都能夠看得到它們的輪廓和表面的細(xì)節(jié)。

圖2 鏡面反射和漫反射

由于漫反射時(shí)會(huì)攜帶物體本身的信息，因此若是經(jīng)過不止一次漫反射，多個(gè)物體的信息將會(huì)疊加到一起難以區(qū)分，使得通常情況下我們無法借助經(jīng)過多次漫反射的光來成像。今天要介紹的技術(shù)卻反其道而行之，利用漫反射沒有明顯方向選擇性的特點(diǎn)，“看”到了轉(zhuǎn)角后的物體。其實(shí)稱其為“看”并不嚴(yán)格，準(zhǔn)確地說，這是利用光子傳播時(shí)間來對(duì)物體進(jìn)行3D反演的一種方法。

眾所周知，光在空氣中的傳播速度約為3.0×10⁸m/s，因此有不少產(chǎn)品利用光子的飛行時(shí)間來探知周圍的世界，我們最熟的產(chǎn)品之一就是激光雷達(dá)（Lidar）。激光雷達(dá)利用激光發(fā)射與接收的時(shí)間差，來重構(gòu)周圍的3D環(huán)境。借助類似的性質(zhì)，科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)角后物體的觀測(cè)。

這項(xiàng)技術(shù)最早是由麻省理工學(xué)院的科學(xué)家發(fā)明的（Recovering three-dimensional shape around a corner using ultrafast time-of-flight imaging）。他們將一束超短的脈沖激光照射到地板上，如圖3示意圖所示。這束光持續(xù)的時(shí)間實(shí)在是太短了（13.3ns），照射到的地板上的位置也非常非常小，在地板上發(fā)生了漫反射，光子以球面?zhèn)鞑ハ蛩拿姘朔?，以至于可以近似認(rèn)為這是一個(gè)瞬時(shí)點(diǎn)亮又熄滅的理想點(diǎn)光源。

圖3 地板被超快激光瞬間點(diǎn)亮并充當(dāng)點(diǎn)光源

（Detection and tracking of moving objects hidden from view）

當(dāng)光傳播到轉(zhuǎn)角后的物體上，再次發(fā)生漫反射，因此這次物體充當(dāng)了點(diǎn)光源的角色，光子沿球面以物體為中心向四面八方沿球面?zhèn)鞑?，一部分光到達(dá)相機(jī)觀測(cè)視野內(nèi)的地板上，并漫反射進(jìn)入相機(jī)中，畫出一條弧線。通過這條弧線以及光子到達(dá)的時(shí)間，我們就可以反向計(jì)算出物體的具體位置。

圖4 轉(zhuǎn)角后的物體被照射后漫反射光到達(dá)相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)

（Detection and tracking of moving objects hidden from view）

可以看出，要實(shí)現(xiàn)這樣的觀測(cè)，相機(jī)的性能要求極高。此處的相機(jī)需要滿足兩個(gè)要求：

• 可以觀測(cè)極弱的光強(qiáng)，甚至是單光子的光強(qiáng)；

• 可以進(jìn)行超快的記錄，將光子按照到達(dá)相機(jī)的時(shí)間進(jìn)行區(qū)分。

此處科學(xué)家使用的相機(jī)叫做單光子雪崩二極管（Single-Photon Avalanche Diode, SPAD）相機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)單光子級(jí)別的探測(cè)并高精度記錄它們到達(dá)的時(shí)間，每秒能夠記錄十億幅圖像。

 

圖5 藏在轉(zhuǎn)角后的物體的重構(gòu)結(jié)果

（Recovering three-dimensional shape around a corner using ultrafast time-of-flight imaging）

圖5是實(shí)際實(shí)驗(yàn)的重構(gòu)結(jié)果。(a)是實(shí)驗(yàn)使用的原始物體，可以看出，雖然重構(gòu)的分辨率不高，但物體基本的輪廓可以準(zhǔn)確的計(jì)算出來。因此，這項(xiàng)技術(shù)在救災(zāi)、反恐等眾多領(lǐng)域有著潛在應(yīng)用。

以下是相關(guān)兩個(gè)科研組制作的相關(guān)技術(shù)介紹視頻：

How to see around corners

Seeing around corners using lasers

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