漫画 | 非视域成像：让视线“拐弯”，在1.4千米之外 | 墨子沙龙

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导读

从这个意义上说，非视域成像可以说是一种能够让视线拐弯的技术。

我们通常用的照相机、夜视仪和望远镜，都属于视域成像。

它们只能看到自己视线范围内的东西，没法看到视线之外的东西。

你可能会想，如果我在视线范围内放一个镜子，看不就可以看到视线之外的东西了吗？
没错，潜望镜就是这么做的。非视域成像的原理有点儿像潜望镜。
不过，它不是靠镜子来反射物体的光线，而是靠更粗糙的平面，比如墙壁，来反射物体的光线。可是，墙壁那么粗糙，就算让一束平行光线照在墙上，也会被散射得七零八落。所以，如果让物体把光线反射到墙壁上，再让墙壁把光反射到相机里，结果一定是白茫茫一片，连神仙都看不出来你拍的是啥。这可怎么办呢？办法是有的。
大部分非视域成像技术，都不会被动等待墙壁反射物体的光线，而是主动出击，向墙壁发射一束激光脉冲。
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。也就是说，发出去的激光脉冲要经过三次漫反射，才能最终回到探测器中。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。
从这个意义上说，非视域成像可以说是一种能够让视线拐弯的技术。仔细一想，你可能会发现，距离越远，激光衰减就越厉害，探测误差也会越大。
这样的非视域成像技术，最多也只能探测几米之外的物体。如此看来，这种技术就算真的投入使用，最多也就是用在近距离的场景，比如机械人视觉、医学和科研。像漫画开头的那种在军事、反恐方面的远距离应用，非视域成像一时半会还无法胜任。
那么，真的没有其他办法了吗？中国科学技术大学的潘建伟、窦贤康、徐飞虎研究组想到了一个新办法。
他们利用自己发展的硬件和软件，成功地把非视域成像的应用距离，延长到了1.4千米。
2021年3月，他们的研究论文发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。你可能会觉得，不就是实验距离变远了吗？
这有什么难办的呢？
把仪器精度设置得高一点儿，再把实验数据分析得仔细一点儿，不就可以了吗？
哪有那么简单！这可不仅仅是几千米和几米的区别，而是室外和室内的区别。
要知道，我们做的是一个精密光学实验。
科学家做这样的实验时，恨不能把实验室变成一个没有光的黑屋子。只有尽可能杜绝一切干扰，光学实验才能称得上足够“精密”。现在可好，研究组不但不能在黑屋子里做实验，还要把实验搬到户外，在明晃晃的太阳底下做实验。
这个时候，别说让视线拐弯了，就算想看清视线内的物体，都是不容易的事。那么，在如此强烈的干扰下，研究组又是如何让视线拐弯的呢？他们的主要有六点。

尽管有了如此细致的准备，但近红外激光的脉冲，经过长距离的飞行，经过重重干扰，再经过三次漫反射，回到探测器以后，还是变得亲妈都不认识了。

虽然在每个扫描点上，近红外激光都会发出460亿亿个光子。

但经过三次漫反射以后，却只有674个光子能回到探测器中。

于是，研究组最后还有一个事情必须完成，那就是：研究组做了这么多创新和努力，实际效果如何呢？
请看，这是探测器探测到的一组信号。那么计算机程序认为这是什么呢？
那么它究竟是什么呢？
原来是一个标准的人体模型。
再看这个结果：啥也看不出来，对吗？让我们看看计算机的结果。那么它究竟是什么呢？
原来是一个字母H。
再猜猜看，这拍的是啥？让计算机帮你还原（图像重建）一下。
原来是它！这样看来，这一轮远距离非视域成像的效果还挺不错。

据不可靠消息，研究组还将在各种实际场景中，对这种技术进一步测试和优化，争取早日将它投入实际应用中。另外，在无人驾驶、灾害救援等民用领域，非视域成像也有广阔的应用前景，我们一起拭目以待吧～

End

作者：Sheldon 

绘制：赏鉴、周源

美指：牛猫

排版：伟俊

鸣谢：徐飞虎、吴骋、刘健江

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参考文献：

1. C. Wu, J. Liu, X. Huang, Z.-P. Li, C. Yu, J.-T. Ye, J. Zhang, Q. Zhang, X. Dou, V. K. Goyal, F. Xu and J.-W. Pan, Non–line-of-sight imaging over 1.43 km[J], Proc. Natl. Acad. Sci. 2021, 118, e2024468118.

2. Faccio D, Velten A, Wetzstein G. Non-line-of-sight imaging[J]. Nature Reviews Physics, 2020, 2(6): 318-327.

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背景简介：本文2021年3月6日发表于微信公众号 墨子沙龙（漫画 | 非视域成像：让视线“拐弯”，在1.4千米之外），风云之声获授权转载。

责任编辑：陈昕悦