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把普通数码相机当潜望镜用:《自然》论文教你隔墙“透视”

当车子开到拐角处,人们只能通过鸣笛来警告可能从另一边开过来的车辆。如果可以“透视”拐角后的情况,交通安全一定会提高很多。

美国波士顿大学的研究人员近日就发明了一种新型的“透视”方法,在视线被阻挡的情况下看清物体,所需的设备仅是一台普通的数码照相机。相关论文于北京时间1月24日凌晨发表在世界顶级学术期刊、英国《自然》(

这种“透视”的基本原理与潜望镜类似。海面上的光线进入潜望镜管道,经管道中的两面镜子反射后,最终来到潜水艇操作员的眼中。如此,水下人员就仿佛拥有了“透视”海面的能力。

那么,当我们来到拐角处,能否把墙面当做镜子,通过反射过来的光线来看清拐角另一边有什么物体呢?基本原理虽然一致,操作难度却大不相同。

要知道,光的反射分为镜面反射和漫反射两种,经过平滑镜面反射的光线仍能保持一致的角度,图像也会保持原本的模样。但光如果落到粗糙的表面上,就会被打散,不同落点的光线以不同的角度反射出去。

美国波士顿大学的研究人员用数码相机拍下被部分遮挡的光影,导入计算机分析还原 来源:

近年来随着计算机技术的发展,一些科学家已经可以多次测量,把不同角度的漫反射数据收集起来,交给计算机处理,把图像重新构建出来。

这和医院中使用的CT(计算机断层扫描)技术类似,通常需要X射线或其他能量很高的超快脉冲进行“扫描”,对光源的要求很高。如果只是日常生活中的可见光,那就需要非常精敏的探测器,对光子抵达的角度和时间都进行高精度的测量,再通过计算推理出物体的位置、形状甚至质地。

波士顿大学的桑德斯(Charles Saunders)和莫里-布鲁斯(Murray-Bruce)所用的是一台普通的数码照相机,无法记录光子抵达的时间。他们想到的方法是,如果物体被部分遮挡,那一方面可以读取透过来的光线,另一方面从物体被遮挡的影子中还可以分析出额外信息。

这个不透明的遮挡物可以是墙角,也可以是一片小小的树叶,和目标物体一样处于数码相机的视野之外。由于部分光子被拦截,目标物体在反射面上投出影影绰绰的图像。

研究人员用数码相机拍下这副光影,导入计算机中分析,经过多种校准,重构一个2D的彩色模拟图像。论文中展现了针对卡通人脸、字母和条纹的相关实验,结果显示大的特征能够相当清晰地还原,眼睛等细节特征并不精确,但勉强能够辨认出来。

从左到右分别为:原图像、相机拍下的光影、初步还原图像、降噪处理图像和遮挡位置已知情况下的还原图像

此外,光影颜色和强度的微小变化都可以体现出目标物体的空间运动情况。通过读取连续的照片,计算机还能捕捉到目标物体的动作。

法德圣路易斯研究所的Martin Laurenzis评论道,这篇论文提出的方法延伸了普通相机的视野,未来或许还能够重建3D图像。相关技术用处很多,比如在医疗领域可用于改进内窥镜一类的成像设备,在工业领域可以帮助检修危险化工厂和核电站的管道,在交通领域可帮助减少车辆碰撞。消防员和救灾员在废墟搜救时也会需要这样的“透视”镜头。

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