解码墙之镜

　　不具备反射能力的表面也能保留物体的“镜像”。研究者们通过一种特殊的算法，成功破译了这层隐藏的图像。这对于医学成像技术来说无疑是突破性的进展。

　　这是一个警匪片中老套的场景：在房门的外面，埋伏着一群荷枪实弹的警察，他们屏气凝神，伺机而动。

　　房间里是否空无一人？他们前来抓捕的罪犯是否以逸待劳，正等着他们冲进去，然后向他们扫射？一切都是未知。这时候，通常其中一名警察就会拿出一面小镜子，偷偷伸向房间的方向并尽力调整角度，窥视犯罪嫌疑人的藏身之地。

　　法国巴黎卡司特勒-布罗塞尔实验室的物理学家与朗之万研究院最近共同合作研发出的新技术也许能帮上警方这个大忙！

　　因为他们证明，在某些情况下，不具备反射能力里的表面在摄像机的“眼睛”里，可以起到和镜子一样的功效。换句话说，警察们只要用智能手机拍下大门对面的那堵墙，就可以轻松地在屏幕上看到房间里发生的一切——墙壁变成了一面会反射的镜子！太牛了！

　　不仅如此，不同于其他复杂的光学实验需要一大堆透镜以及精确到微米的激光，新装置只需借用桌角，5分钟之内就能开始工作。

　　不信请看：取一物品，放置在离白墙不远处。用灯光照亮该物品，然后用数码照相机瞄准墙壁。一切准备就绪，接着只要按下快门，经过一系列信息处理，物品“反射”在墙壁上的图像几乎能实时显现出来。

　　当然就目前来说，普通人——包括警察在内——要把每一堵墙壁都“转换”成镜面还是异常困难。该技术现在只适用于体积微小的物品，并且需要适宜的光源。但毫无疑问，单是这一突破就已神奇无比。而这，全是源于数学的魔力。

　　光晕中包含的信息

　　你之所以从来没有把墙壁当镜子照，那时因为你的大脑在面对不具备反射能力的表面散射出来的光线时，不知该如何从中识别周边物体的影迹。然而，这种影迹却是真实存在的。

　　当我们在一面白色不透明的墙体前照亮某物体，然后用数码相机对着墙壁拍照，相机传感器就能记录下该物体的图像，因为来自周边物体的一部分光子会从墙面反弹回来。

　　但是由于光线照射在不具备反射能力的表面，光子反弹的轨迹并不规则。因此，记录下的影像只是一团光晕，似乎与原始物体的模样完全无关。

　　等一下，貌似还有一丝联系：如同密码一般，其实光晕中包含着有关物体形状的信息。而物理学家们恰恰破译了这组密码。名为“自相关”的数学处理仅需要几分钟的时间，就可以对散射出来的数百万光子的强度和重复出现的图式进行分析。

　　这一处理将生成一张“自相关光斑”的图像，就像普通图像处理软件把照片转化成线描画、点刻板画或是黑白画。

　　到了这一步，一种算法便可以派上用场了。它借鉴了能改进天文望远镜分辨率的图像处理技术，将这一自相关光斑图像与不同形状物体的自相关光斑图像进行比较，经过连续尝试，逐渐推导出原始物体的形状。大功告成。

　　在此之前，2012年，意大利人雅各布·贝尔托洛蒂（Jacopo Bertolotti）曾证明，只要用激光从不同角度的照射物体，根据所获的散射斑点，就可以重现原始物体的图像。但是这个过程需要几个小时。

　　卡司特勒-布罗塞尔实验室的以色列博士后奥利·卡茨（Ori Katz）为了加速处理过程，想到了一个好主意：在单色光源下拍一次数码照。与激光照射下的情况相反，光子会出现不规则散射。他的尝试成功了。

　　项目研究负责人西尔万·吉冈（Sylvain Gigan）解释说：“传感器上每一点接收到的光线角度会稍稍有别，这和对物体进行一次长时‘扫描’的结果类似。虽然得到的图像较为暗淡，但其中的细节足以用来鉴别原始物体了。”

　　该项技术目前只在非常微小的尺度上有效，虽不能用于定位躲在角落里的敌人，但可以观察皮肤下的物体或器官！

　　事实上，从光学角度来说，物体在各种散射光中留下的痕迹几乎一样，无论光线来自近处墙面的散射，还是透过包裹物体的半透明薄层——比如某些生物组织。

　　“我们的新技术为医学成像带来了新的希望。”西尔万·吉冈解释道，“因为与仅使用‘冲击’光，也就是非散射光的显微成像相反的是，散射光能穿透几毫米的深度，看到表层以下部分。”

　　窥视人体器官

　　这对于以非侵入方式观察细胞和活体器官来说，真是天赐利器。

　　目前在实践中，研究人员成功再现了被分葱皮（厚度80微米）覆盖的活细胞大小的物体图像，继而在鸡胸肉片（300微米）下也取得了成功。西尔万·吉冈预言：“将来我们可以观察老鼠大脑中的活体神经元，或是跟踪果蝇胚胎的发育情况等。”如果成像技术公司对此感兴趣的话，这种透视技术5年内就能投入实用。

　　把任何物体表面都当作镜子，甚至还可以望穿皮肤——在数学的帮助下，我们的眼睛又征服了一片不可见的世界。

　　撰文/Laure Blancard 编译/王佳蕾