在過去的十年中,光學研究人員已經證明,無需鏡子即可看到視線之外的物體。然而,這項成功需要使用發射持續時間不到萬億分之一秒的脈衝的特殊雷射器,以及能夠檢測單個光子的高效能感測器。現在,波士頓大學的一個團隊已經表明,一個演算法和一個普通的數碼相機也可以在沒有鏡子的情況下觀察角落——而且不需要如此昂貴和複雜的裝置。
潛望鏡和鏡子可以很容易地檢視拐角處的情況,但它們提供的清晰度是有風險的。鏡子和潛望鏡必須放置在它們所觀察物體的視線中,在那裡它們很容易被發現和摧毀。秘密觀察者更喜歡透過從非顯而易見的來源(例如從塗漆牆壁的啞光表面反射的光)提取資訊來在視線之外操作。
光線以相同的角度從銀色金屬表面(如鏡子)反射,就像它們是從原子尺度上完全平坦的表面上彈起的微小球體一樣。啞光表面(如塗漆的牆壁和白色海報板)在人眼看來很光滑,但在原子尺度上很粗糙,因此它們以各種角度散射光,而不是以統一的方向散射。因此,啞光表面會擾亂來自不同方向的光線,使我們的眼睛無法識別它來自哪裡。
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2009 年,麻省理工學院媒體實驗室相機文化研究小組負責人 Ramesh Raskar 和他的同事們計時了 направленную 在雷射照射到看不見的區域之後,從雷射到達物體並返回的時間。從那時起,Raskar 的小組和其他人大大增強了這些“飛行時間”觀測,就像微波和光學雷達脈衝一樣,透過計算光從目標往返的傳播時間來測量距離。
為了尋求更簡單的方法,電氣和計算機工程師 Vivek Goyal 和他在波士頓大學的同事透過考慮光線為在表面之間沿直線傳播的光線來分析檢視角落的問題,這種方法用於光學設計。他們追蹤光線從牆一側的物體發出,繞過一個拐角,然後從啞光表面反射並進入牆另一側的相機的路徑。在簡單的排列中,相機只能看到啞光表面,因為它均勻地散射光線。
然而,他們發現,在隱藏的物體(一個顯示影像的照明螢幕)和啞光表面之間放置一個平坦的不透明“遮擋物”會改變畫面。遮擋物會投下陰影,阻止顯示屏的部分光線到達啞光表面的部分割槽域。這種效果類似於月偏食,地球阻止陽光照射到月球的部分割槽域。
透過追蹤來自陰影邊緣的光線,Goyal 的團隊可以繪製出螢幕的哪些部分會照亮啞光表面的哪些部分。然後,他們建立了演算法,這些演算法可以從數碼相機記錄的啞光表面影像中反向工作,以重新建立螢幕上顯示的圖案。
實驗是在液晶顯示器顯示感興趣的場景時進行的。來自該影像的光線照射到一個固體的遮擋物體背面,該物體阻擋了一些光線,但讓其餘的光線像半影一樣繞過它,照亮一個帶有啞光表面的成像牆。投射到牆壁上的光線與原始場景不相似。但是,數碼相機捕獲了投影,然後計算機演算法成功地處理了投影,以重建感興趣的場景。 圖片來源:Charles Saunders 《自然》
Goyal 說:“場景中有一個不透明的遮擋物……使之能夠工作。”為了驗證他們的想法,他們建立了一個桌面模型,其中一個四百萬畫素的數碼相機面對一個內部牆壁一側的啞光表面,該表面帶有遮擋物,另一側則是一個數字顯示器。Goyal 的小組在 1 月 24 日的《自然》雜誌上撰文說,透過他們的演算法執行啞光表面的相機影像,可以重現螢幕上顯示的影像。他們“計算潛望鏡”的影像遠非完美。但是 Goyal 說:“我們從沒想過它會如此有效,”他補充說,“從概念上講,這可能是智慧手機中的一個應用程式。”他說,儘管原理簡單且適用範圍廣泛,“編寫這樣的手機應用程式將非常重要”,因為它必須適應其使用的環境。
Raskar 沒有留下深刻的印象。他稱這種演示“類似於在超快飛行時間系統方面的同步工作”,並說計算系統在使用前需要估計遮擋物的形狀和位置,“在諸如秘密觀察之類的現實場景中可能具有挑戰性”。
然而,未參與這項研究的法國-德國研究所的光學工程師 Martin Laurenzis 則樂觀得多。他說:“基本原理非常聰明,”他指出,針孔相機透過阻擋大部分光線來建立影像,但 Goyal 的系統僅阻擋少量光線。Laurenzis 說:“這兩種方法都旨在揭示角落周圍的場景,並擴充套件光學感測器的感知範圍,”但他認為這兩種方法的目的是“完全不同的應用”。Goyal 說,他從未系統地比較這兩種方法,因為“它們在所做的事情和所取得的成就方面看起來如此‘蘋果和橘子’”,他認為將這兩種技術結合起來可能會產生令人興奮的結果,並且他正在全力以赴地追求它。
國防高階研究計劃局 (DARPA) 正在支援 大部分研究,希望開發新型的光學資訊收集。但是,該領域仍然很年輕。Laurenzis 說:“即使在非視線飛行時間成像十年之後,我們仍處於起步階段。”
