不打磨抛光，怎么让墙壁当镜子照？| 十万个量子为什么（十六）

我国古代有一种名为磨镜客的职业，当布满锈迹与划痕的铜镜经过磨镜匠人精心研磨抛光后，原本照出来模糊的影像就变得清晰可辨，效果甚至可以媲美现代的玻璃镜子。由于铜镜需定期打磨才能保持成像清晰，这便催生了“磨镜客”这一特色职业。

磨镜这个工艺蕴含着一个重要的光学原理：当物体表面由粗糙变得光滑时，无序的漫反射将转化为有序的镜面反射，从而产生清晰的图像。

大家在初中物理课就学过镜面反射和漫反射：

镜子反射太阳光，迎着看过去非常刺眼，但是只要适当偏转观察方向就看不到反射的阳光了，这时发生的是镜面反射。阳光照在墙壁上，无论从哪个方向看，都能看到墙壁被照亮了，阳光在墙壁表面发生的是漫反射，原来的平行入射光被发射到各个方向，所以在各个方向都能看到，也不那么刺眼。无论镜面反射还是漫反射，对每一道光线来说，它们都遵循反射定律。

我们照镜子时可以在镜子里看到另一个“自己”，镜子里的人就是“像”。

镜面成像的奥秘在于镜面反射完美的秩序性。当平行光线射向光滑的镜面时，所有反射光线仍然保持原有方向关系——平行状态，这就使得光线能在视网膜或感光元件上精确交汇，形成与物体几何结构一致的清晰像。

而对漫反射来说，由于反射表面凹凸不平，光线被反射到各个方向，破坏了原有入射光方向的一致性，即使存在局部镜面反射的微小区域，但整体反射光的方向被随机打乱，无法在视网膜上形成有序的像。就像许多面朝向各异的微小镜子，每面小镜子都忠实反射着局部影像，眼睛却识别不出整体的像。

近期中国科大潘建伟教授团队发表于国际著名期刊《Optica》上的一篇文章，证明粗糙表面的漫反射也能够形成有序的像。也就是说，粗糙的墙壁也能当镜子照了。

▲基于粗糙表面调制的被动非视域成像示意

研究团队采用了什么黑科技来应对漫反射后光线的杂乱无序呢？

解铃还须系铃人，应对的关键就在墙壁粗糙的表面上。

根据光路可逆原理，光线作为电磁波沿着一定的线路传播，在没有发生强散射或吸收的情况下，可以按照原路方向返回通过发光点。就是说，如果一条光线从A点射向B点，那么反向传播的光线也会沿同样的轨迹从B点回到A点。

虽然物体发出信号光经过粗糙墙壁漫反射后，变得“乱七八糟”，如果能“完全”掌握墙壁表面的凹凸细节，就有可能还原出原物体的样貌。这个还原过程是通过计算完成的，并不是真正的让光路原路返回。打个比方，入射光是输入，反射光是输出，墙壁的作用就是对输入（入射光）进行编码。假如“输出=输入+2”，我们只要对输出结果做一个逆运算，“输出-2=输入”，就可以得到原输入数据了。

让墙壁能当镜子照，不靠打磨抛光，靠算法。

原理说起来简单，操作起来颇具挑战。墙壁表面的几何结构比平面镜复杂多了，研究团队要实现墙壁反射的逆运算，还要攻克一系列算法难题。

▲成像原理与过程示意图

首先需要建立粗糙墙面的微观散射特性模型，通过微观尺度解析其几何形貌和材料的反射特性。当物体发出的信号光经墙面微观凹凸结构散射后，会形成独特光斑图案，这种非均匀的散射特性可作为“天然信息编码器”，能显著降低非视域目标的重建难度，从而提升非视域成像性能。

其次，基于粗糙表面微观模型，研究团队还建立了精确的被动非视域成像前向模型，找到了揭示了“粗糙表面如何影响非视域成像”的一些规律。结果显示，墙壁越粗糙，成像不一定越差。

最后，在微观模型基础上，团队发展了非侵入式标定方法，相较于传统散射成像/无透镜成像需在目标表面放置“引导星”来标定光传输矩阵的侵入式操作，非侵入式标定方法大幅提升了实用价值。

值得注意的是，研究团队在2021年3月就实现了当时国际最远距离（1.43千米）非视域成像，和国际最远距离（200千米）单光子成像。

所谓非视域成像技术（Non-line-of-sight imaging），就是对隐藏在视线外的物体进行拍照，实现“隔墙观物”。团队2021年的非视域成像实现过程采用的是主动出击，向墙壁发射激光脉冲，这束激光脉冲，会经过墙壁，照在墙后的物体上。然后，物体会把一小部分脉冲信号反射回来，再次经过墙壁后，被探测器接收，整个过程激光经历了三次漫反射。最后，计算机通过分析探测器接收到的脉冲延迟了多久，形状发生了何种变化，来反推墙壁后面藏着的物体是什么形状的。由于依赖外部激光脉冲照射目标，属于主动成像。团队在2021年的突破是把非视域成像的距离从几米开外，直接延长到了1.4千米，这是非常了不起了。

▲主动非视域成像示意图

下面我们将主动非视域成像技术（传统）与新技术做个比较，便于大家更直观感受新技术的厉害！

虽然没有了外部激光脉冲的辅助，但实验结果显示，被动非视域成像效果同样出色，并实现了多项突破性性能：

•亚毫米级分辨率：将非视域成像分辨率提升亚毫米尺度（下图a）；

•实时成像：实现25帧/秒实时成像速度；

•超大视场角：不受记忆效应等限制，可重建近90°大视场场景（下图b）；

•钥匙孔成像：首次通过1毫米级小孔实现被动非视域成像（下图3c）；

•全彩色还原：单张灰度图中解码全彩信息，覆盖400-655纳米；

•完全非侵入：无需侵入式接触或操控隐藏场景即可成像。

▲高分辨、大视场、锁孔成像演示

▲全彩色成像演示

总结

中国科大研究团队研究首次证明粗糙表面的微观散射特性可转化为计算成像优势，攻克了被动非视域成像领域长期存在的空间混叠与病态逆问题两大技术瓶颈。通过物理模型与算法协同优化，团队成功将普通墙面变为“天然编码器”，实现了低成本、高分辨率、实时全彩的隐蔽场景探测新方案，为安防、医疗和自动驾驶等场景提供了创新技术路径。该研究颠覆了传统认知——粗糙表面从成像障碍转变为提升成像能力的“天然透镜”。“磨镜客”这一古老的职业被赋予了算法技能，行走在数字时代。我们可以看到遥远的宇宙深空，可以洞察微观世界，可以隔墙观物，都离不开成像技术，离不开数字时代的磨镜客。