说到千里眼，大家最先想到肯定是望远镜，望远镜能将远处的物体拉近，确实能让人拥有千里视物的能力。不过，望远镜只能看见视域范围内的物体，如果隔着一面墙，那墙里面的情况我们就看不到了。科技赋予了我们非凡的能力，有些甚至比神话传说还神奇。神话故事中的千里眼和顺风耳可以无视障碍，远隔千里获取信息。现在，科学家们也能办到这样的事情。

中国科学技术大学在“非视域成像”技术方面的研究，还帮我们实现了另一种曾经的不可能——“隔墙观物”。用专业的语言来讲，隔墙观物其实就是非视域成像，也可以叫非视距、绕视或者拐角成像。该研究在反恐、反劫持、自动驾驶、医学检测以及灾难救援等场景，能够帮助我们看到一些肉眼看不到的事情。

计算机成像是基础工程

普通的非视域成像其实并不难，我们平时梳头时看不到后脑勺，也会使用镜子的镜面反射成像。但如果没有镜子怎么办？科学家们想到的办法，是发射一束激光，进行各种墙面反射，然后去检测这束光反射过程中的大量信号，最后通过计算机成像算法，也就是人工智能算法，来处理这些信息，便可以得到我们想要知道的一个视域范围之外的物体的形态。

这个过程当然不是我们想象中那么简单。光有可能在折射过程中被吸收或丢失，如何能捕捉到如此微弱的信号，又从如此大量的信号信息中去找到我们需要的数据，这些都是科学家们需要研究的问题。尤其是计算成像算法，在这个过程中最为关键，是整个成像过程中的基础。

这种计算机成像算法的原理，其实是通过对一个隐藏空间的无数个点进行光探测，当计算机收集到这些探测点的数据，并将其不断重叠，最后推算出这些探测点重合的交汇部分，就可以估算出我们要探测的场景的大致模样。同时结合信号滤波技术，就可以对这个场景进行精确图像的重构。

早几年，MIT计算机科学和人工智能实验室（CSAIL）开发的射频—姿态（RF-Pose）系统，就是通过分析WiFi无线信号穿越墙壁并从人体反射后的情况，使用深度神经网络方法来估测人体的二维（2D）姿势。

由于无线信号可穿透墙壁，该系统可追踪隐藏在视线外的人体目标。人工智能可将这些信息转化为人体的柱状模型，展示其姿势、位置及动作。射频—姿态系统可传输比WiFi功率低1000倍的无线信号，并观察其从环境中反射回来的信号。只使用无线反射作为输入，就能估测人体骨骼的运动。

MIT研发团队表示，该技术可用于帮助研究诸如帕金森氏症、多发性硬化症（MS）和肌肉萎缩症等疾病，射频—姿态系统可详细观察患者的运动情形，从而监测疾病的进展。团队称，新技术还可用以帮助老年人更独立地生活，即使老年人在视线之外跌倒，系统也能检测到。

研究人员指出，监测患者的步行速度和自主从事基本活动的能力，为医疗保健服务提供了一个前所未有的窗口。新方法的一个关键优势是，患者不必佩戴传感器或要记着给他们的设备充电。针对该技术被用于非法监视侵犯隐私的担忧，该技术的未来迭代可使用“同意机制”来确保被监视人处于系统的监控之下，用户需要执行一定的操作来激活该机制。

与传统成像技术的区别

传统成像技术都是对视域内的物体进行观测。非视域成像技术则能够对隐藏在视线外的物体进行拍照，实现“视线拐弯”“隔墙观物”，极大地拓展了人类的成像能力，未来在医疗检测、智能驾驶、军事侦察等领域将发挥重要作用。

早在2008年就由Raskar等人提出，在2009年国外就实现了对简单平面的非视域成像，不过成像距离仅在米级范围。

光学非视域成像的实现过程通常是将激光脉冲发射到中介墙上，利用中介墙使激光散射到被遮挡的非视域场景中，该场景中的隐藏物体再次将激光散射到中介墙上，最后被中介墙散射至接收系统。整个过程激光经历了三次漫反射，通过记录光量子的飞行时间信息，并利用计算成像算法可以实现对非视域场景的重构。

然而，由于激光经过多次漫反射，整个光路存在巨大的衰减，使得非视域成像目前仅在实验室内进行短距离的原理性验证。此外，多次漫反射导致的时空信息混杂，使得成像算法成为一个科研难题。

因此，从光学系统和重构算法出发，通过系统性设计远距离成像解决方案，发展高效率、低噪声的非视域成像系统以及高效的成像算法，将非视域成像的距离从米级提高到公里级，相比先前的实验结果提升了3个数量级。在光学系统方面，基于双望远镜共焦光学设计，开发一套近红外波长的高效率非视域成像系统，可以克服漫反射带来的160分贝光学衰减。在算法方面，采用凸优化算法，并结合精确的成像模型和压缩感知等成像理论，解决了多次漫反射所导致的时空混合问题。最终，成功在现场环境下实现对1.43公里外的非视域场景进行成像以及对隐藏的物体进行实时跟踪。

已实现毫米级非视域成像

中国科学技术大学的科研人员采用的是近红外波段的光源，它采用1550纳米波段，在整个大气环境中的透过率都非常高。同时配合高灵敏度的单光子探测器，以及高耦合效率、时域滤波等先进技术进行图像重构实验。他们发现，通过空间和时间维度等全方位的测量，实验中已经可以完成一些复杂的非视域场景成像。

中国科大研究团队利用脉冲泵浦频率上转换探测技术，实现了时间分辨能力达到1.4皮秒的近红外单光子探测器，并通过长波泵浦和时间域滤波方式将探测器的暗计数降低至5赫兹。

他们利用该单光子探测器所搭建的非视域成像系统，一方面借助于对漫反射墙回波和目标物体信号回波的分时探测，解决了非视域成像技术中难以实现完全同轴的成像系统的问题；另一方面借助于高时间分辨能力，实现了对视域外目标物体的高精度三维重构，其横向空间分辨能力达到2毫米，纵向空间分辨能力达到0.18毫米。最终，研究团队成功对视域外毫米级大小的字母实现了高精度非视域成像。

此外，中国科学技术大学在单像素体成像研究方面也取得进展。单像素光学成像技术在散射、弱光等复杂环境下，相较于传统面阵成像技术，又展现出很大优势。

近年来随着飞行时间和立体视觉功能等技术的引入，单像素成像还能够实现物体场景的3D空间重构，并已经应用于生物医学成像、激光雷达、有害气体传感等领域。从古代墨子的小孔成像，到后来伽利略发明望远镜，再到近代的生物成像，比如核磁共振，然后到今天的非视域成像，成像技术一直在不断地精益求精，拓展着人类的视野。

文章来源： 羊城派，科技日报，人民日报，中国科学报