計(jì)算光學(xué)成像：突破傳統(tǒng)光學(xué)成像極限

概要

計(jì)算光學(xué)成像是一個(gè)新興多學(xué)科交叉領(lǐng)域。它以具體應(yīng)用任務(wù)為準(zhǔn)則，通過多維度獲取或編碼光場信息（如角度、偏振、相位等），為傳感器設(shè)計(jì)遠(yuǎn)超人眼的感知新范式；同時(shí)，結(jié)合數(shù)學(xué)和信號(hào)處理知識(shí)，深度挖掘光場信息，突破傳統(tǒng)光學(xué)成像極限。目前，計(jì)算光學(xué)成像處于高速發(fā)展階段，已取得許多令人振奮的研究成果，并在手機(jī)攝像、醫(yī)療、無人駕駛等領(lǐng)域開始規(guī)?；瘧?yīng)用。未來，計(jì)算光學(xué)成像有望進(jìn)一步顛覆傳統(tǒng)成像體系，帶來更具創(chuàng)造力和想象力的應(yīng)用，如無透鏡成像、非視域成像等。趨勢(shì)解讀

傳統(tǒng)光學(xué)成像建立在幾何光學(xué)基礎(chǔ)上，借鑒人眼視覺“所見即所得”的原理，而忽略了諸多光學(xué)高維信息。當(dāng)前傳統(tǒng)光學(xué)成像在硬件功能、成像性能方面接近物理極限，在眾多領(lǐng)域已無法滿足應(yīng)用需求。例如，在手機(jī)攝影領(lǐng)域，無法在保證成像效果的同時(shí)縮小器件重量和體積，出現(xiàn)令人詬病的“前劉?！焙汀昂笤“浴钡那闆r；在顯微成像領(lǐng)域，無法同時(shí)滿足寬視場和高分辨率的需求；在監(jiān)控遙感領(lǐng)域，難以在光線較暗、能見度較低的復(fù)雜環(huán)境中獲得清晰圖像。

隨著傳感器、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)的不斷演進(jìn)，新型解決方案逐步浮出水面——計(jì)算光學(xué)成像。計(jì)算光學(xué)成像以具體應(yīng)用任務(wù)為準(zhǔn)則，通過多維度獲取或編碼光場信息（如角度、偏振、相位等），為傳感器設(shè)計(jì)遠(yuǎn)超人眼的感知新范式；同時(shí)，結(jié)合數(shù)學(xué)和信號(hào)處理知識(shí)，深度挖掘光場信息，突破傳統(tǒng)光學(xué)成像極限（如圖1所示）。

圖1.傳統(tǒng)光學(xué)成像（左）和計(jì)算光學(xué)成像（右）

計(jì)算光學(xué)成像是一個(gè)新興多學(xué)科交叉領(lǐng)域,早期概念在上個(gè)世紀(jì)70年代中期才逐步形成。隨著信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，計(jì)算光學(xué)成像已成為國際研究熱點(diǎn)。由于計(jì)算光學(xué)成像研究內(nèi)容覆蓋范圍廣，目前還沒有一個(gè)比較明確的分類方法。按照計(jì)算成像技術(shù)所解決的應(yīng)用問題來分類，可以大致分為以下三類：（1）功能提升：對(duì)傳統(tǒng)方式無法獲取的光學(xué)信息，如光場、偏振、相干度等進(jìn)行成像或測(cè)量；（2）性能提升：即提升現(xiàn)有成像技術(shù)的性能指標(biāo)，如空間分辨率、時(shí)間分辨率、景深、復(fù)雜環(huán)境魯棒性等；（3）簡化與智能化：通過單像素、無透鏡等特定技術(shù)簡化成像系統(tǒng)，或者以光速實(shí)現(xiàn)特定人工智能任務(wù)（如圖2所示）。

圖2.計(jì)算光學(xué)成像技術(shù)分類 計(jì)算光學(xué)成像技術(shù)現(xiàn)處于高速發(fā)展階段，還需克服諸多挑戰(zhàn)：首先，需以傳感器為中心重新設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)；其次，由于需要獲取多維度光學(xué)信息，需引入新型光學(xué)器件和光場調(diào)控機(jī)制，隨之而來的是更多的硬件成本和研發(fā)/調(diào)試時(shí)間成本；再次，為了使計(jì)算成像硬件和軟件有更好的協(xié)同，則需重新開發(fā)算法工具；最后，對(duì)算力要求非常高，對(duì)應(yīng)用設(shè)備芯片及其適配性提出更高要求。

計(jì)算光學(xué)成像雖然是一個(gè)新興技術(shù)，但已取得了很多令人振奮的研究成果（2014諾貝爾獎(jiǎng)——超分辨熒光顯微成像、2017年諾貝爾獎(jiǎng)——冷凍電鏡），并在手機(jī)攝像、醫(yī)療、監(jiān)控、工業(yè)檢測(cè)、無人駕駛等領(lǐng)域開始規(guī)?；瘧?yīng)用。如在手機(jī)攝像領(lǐng)域，主流手機(jī)廠商均初步融入了計(jì)算光學(xué)成像思路，從比拼硬件光學(xué)，轉(zhuǎn)而追求硬件加算法的協(xié)同；目前手機(jī)攝像在相當(dāng)一部分場景的拍攝效果達(dá)到、甚至超過一般單反相機(jī)。

未來，計(jì)算光學(xué)成像將進(jìn)一步顛覆傳統(tǒng)成像體系，帶來更具創(chuàng)造力和想象力的應(yīng)用。元成像芯片可實(shí)現(xiàn)大范圍無像差三維感知，有望徹底解決手機(jī)后置攝像頭突出的問題。無透鏡成像（FlatCam）能夠簡化傳統(tǒng)基于透鏡的相機(jī)成像系統(tǒng)，進(jìn)一步減小成像系統(tǒng)體積并有望用于各類可穿戴設(shè)備。此外，利用偏振成像技術(shù)能夠透過可見度不高的介質(zhì)清晰成像，實(shí)現(xiàn)穿云透霧。還有非視域成像，能夠通過記錄并解析光傳播的高速過程來對(duì)非視域下目標(biāo)進(jìn)行有效探測(cè)，實(shí)現(xiàn)隔墻而視，在反恐偵察、醫(yī)療檢測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。 專家點(diǎn)評(píng)在過去的十多年來，信息技術(shù)的高速發(fā)展為光學(xué)成像注入了新的生命，計(jì)算成像應(yīng)運(yùn)而生，悄無聲息中顛覆了人類與機(jī)器感知世界的方式。從“所見即所得”的一一映射到對(duì)高維光場的耦合編碼與計(jì)算重構(gòu)，計(jì)算成像將光作為信息載體的一部分，模糊了物理世界與數(shù)字世界的邊界，從而突破了物理約束，見所未見。從此，我們能夠捕捉光傳播的軌跡，看到千里之外的聲音，解析生命活動(dòng)的奧秘，穿云透霧，洞察秋毫。從毫厘微末間的細(xì)胞病毒，到廣袤宇宙中的第一縷光，計(jì)算成像將不斷開拓人類的認(rèn)知邊界；從無人系統(tǒng)手機(jī)攝影，到工業(yè)監(jiān)測(cè)安防監(jiān)控，計(jì)算成像將融入人們生活的方方面面，推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展。

審核編輯 ：李倩