CORNAR: A camera that looks around corners
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leiphone 作者：看風景的蝸牛君
按：本文作者@看風景的蝸牛君，中國中科院光學工程博士。
警匪片或恐怖片中，通常會出現這樣一個場景：一伙人沿著走廊慢慢地、謹慎地向前走著，而另一伙人則躲在走廊盡頭的拐角後，等待著給對方突然襲擊。
每次看到這種場景，我就心想，要是能有一種設備，可以悄無聲息的探查拐角的情況就好了。
如圖1所示，攝影機的視野只有圖中矩形的區域，而一個人躲在角落背後，該如何才能觀測到呢？
圖1 如何看到轉角背後的物體？（Detection and tracking of moving objects hidden from view）
由於光的波長較短，日常生活中我們基本不考慮光波的衍射效應，所以一句耳熟能詳的話叫做「光沿直線傳播」，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後的物體了。
實際上，能夠讓光「拐彎」的，絕不僅僅是鏡面反射，還有漫反射。漫反射大家並不陌生，我們能夠看到物體，絕大多數情況下，都是因為物體表面可以對光進行漫反射。
那麼什麼是漫反射呢？簡單來說，漫反射就是光投射在粗糙表面後，光向各個方向反射的現象。除了鏡子、玻璃等少數光滑表面，平常我們看到的牆壁、地板、桌椅板凳等等，全都是會發生漫反射的。
鏡面反射並不會攜帶鏡子本身的資訊，因此我們照鏡子時，看清的並不是鏡面的細節，而是鏡子反射的物體的資訊。而由於漫反射的存在，使得光源的光在物體表面，向各個方向散開，攜帶了物體的資訊，於是我們站在物體周圍，都能夠看得到它們的輪廓，和表面的細節。
圖2 鏡面反射和漫反射
由於漫反射時，會攜帶物體本身的資訊，因此若是經過不止一次漫反射，多個物體的資訊將會疊加到一起，難以區分，使得通常情況下，我們無法借助經過多次漫反射的光來成像。
今天要介紹的技術，卻反其道而行之，利用漫反射沒有明顯方向選擇性的特點，「看」到了轉角後的物體。其實稱其為「看」並不嚴格，準確地說，這是利用光子傳播時間，來對物體進行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，因此有不少產品利用光子的飛行時間，來探知周圍的世界，我們最熟的產品之一，就是雷射雷達（Lidar）。雷射雷達利用雷射發射與接收的時間差，來重構周圍的3D環境。借助類似的性質，科學家實現了轉角後物體的觀測。
這項技術最早是由麻省理工學院的科學家發明的（Recovering three-dimensional shape around a corner using ultrafast time-of-flight imaging）。他們將一束超短的脈衝雷射照射到地板上，如圖3示意圖所示。這束光持續的時間實在是太短了（13.3ns），照射到的地板上的位置也非常非常小，在地板上發生了漫反射，光子以球面傳播向四面八方，以至於可以近似認為，這是一個瞬時點亮又熄滅的理想點光源。
圖3 地板被超快雷射瞬間點亮並充當點光源
當光傳播到轉角後的物體上，再次發生漫反射，因此這次物體充當了點光源的角色，光子沿球面以物體為中心，向四面八方沿球面傳播，一部分光到達相機\攝影機，觀測視野內的地板上，並漫反射進入相機中，畫出一條弧線。透過這條弧線，以及光子到達的時間，我們就可以反向計算出物體的具體位置。
圖4 轉角後的物體被照射後漫反射光到達相機視場內
可以看出，要實現這樣的觀測，攝影機的性能要求極高。此處的攝影機需要滿足兩個要求：
- 可以觀測極弱的光強，甚至是單光子的光強；
- 可以進行超快的記錄，將光子按照到達攝影機的時間進行區分。
此處科學家使用的攝影機叫做單光子雪崩二極管（Single-Photon Avalanche Diode, SPAD）攝影機，可以實現單光子級別的探測，並高精度記錄它們到達的時間，每秒能夠記錄十億幅圖像。
圖5 藏在轉角後的物體的重構結果
圖5是實際實驗的重構結果。(a)是實驗使用的原始物體，可以看出，雖然重構的分辨率不高，但物體基本的輪廓可以準確的計算出來。因此，這項技術在救災、反恐等眾多領域有著潛在應用。
以下是相關兩個科研組製作的相關技術介紹影片：
How to see around corners
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