專家談計算光學(xué)成像

計算光學(xué)成像是下一代光電成像技術(shù)，是光電成像技術(shù)步入信息時代的必然產(chǎn)物，其本質(zhì)是光場信息的獲取和解譯，是在幾何光學(xué)成像的基礎(chǔ)上有機引入物理光學(xué)信息，以信息傳遞為準(zhǔn)則，通過信息獲取更高維度的信息。計算光學(xué)可以理解為信息編碼的光學(xué)成像方法。

什么是計算光學(xué)成像？

光電成像的本質(zhì)是光場信息的獲取與解譯，這里的光場是指光的強度、偏振、光譜、相位等物理量在空間中的分布，與光場相機描述的那個光場不同，那是一個純幾何光學(xué)描述的強度分布信息。

傳統(tǒng)光電成像是建立在幾何光學(xué)的基礎(chǔ)上，光場信息的獲取是記錄了二維的空間面上光強度分布，與人眼視覺相似，所見即所得，一般沒有光場解譯的過程。但是，我們應(yīng)該能意識到，進入到成像系統(tǒng)的信息實際上多于我們所見的圖像，這也就意味著有部分信息其實是可以進行解譯的。

計算光學(xué)成像本質(zhì)上是下一代光電成像技術(shù)，是光電成像技術(shù)在信息時代發(fā)展的必然。我們可以做如下定義：計算光學(xué)成像在傳統(tǒng)幾何光學(xué)的基礎(chǔ)上，有機融入了物理光學(xué)的信息，如偏振、相位、軌道角動量等物理量，以信息傳遞為準(zhǔn)則，多維度獲取光場信息，并結(jié)合數(shù)學(xué)和信號處理知識，深度挖掘光場信息，通過物理過程解譯獲取更高維度的信息。

為什么叫計算成像？計算光學(xué)成像最早的叫法是“Computational Photography”，是由Computer Science的學(xué)者命名的，中文多翻譯為“計算攝影”，包括“光場相機”，都不是光學(xué)專家提的。在這里，我們要感謝計算機信息領(lǐng)域的學(xué)者，他們走在光學(xué)的學(xué)者前面。隨著壓縮感知和計算成像技術(shù)的快速發(fā)展，更多的光學(xué)專家也開始關(guān)注在傳統(tǒng)的光電成像中加入光學(xué)編碼，然后進行解碼，從而獲得景深等信息，他們認為成像就是“Imaging”，所以，更多人開始接受以“Computational Imaging”替代“Computational Photography”。實際上，這是一回事。逐漸地，越來越多不同領(lǐng)域的科學(xué)家開始從不同的視角去看計算成像，于是，從事計算成像的人越來越多，成為了研究熱點。

特別要注意，“計算成像”這個詞是由Computer Science的研究人員最先提出來的，這里的“計算”不僅僅是信號處理的計算，其實我們應(yīng)該理解為“編解碼”（Coding/Decoding），光學(xué)的編碼有很多種方式：孔徑編碼、波前編碼、探測器編碼等等，所以，計算光學(xué)成像可以理解為信息編碼的光學(xué)成像方法。

我們通常指的計算成像，其實就是計算光學(xué)成像。

為何要發(fā)展計算成像？

幾何光學(xué)給我們帶來了很大的便利，系統(tǒng)簡單易用，工業(yè)化體系完備；但是，我們也看到了幾何光學(xué)存在的物理限制，在測距、視覺測量等方面受限因素頗多，一般能達到的精度為10^-2至10^-3數(shù)量級，難以實現(xiàn)10^-5到10^-6這樣數(shù)量級精度的跨越。我們知道，激光測距可以達到10^-6這樣數(shù)量級的精度，原因就是在模型中進入了相位測量，屬于典型的物理光學(xué)應(yīng)用。

那么，如果能將物理光學(xué)引入到成像模型中，通過信息編碼/解譯獲得超越幾何光學(xué)成像的極限，這便是計算成像。我們期望計算成像技術(shù)能夠突破傳統(tǒng)光電成像的極限，通過信息賦能方式，步入信息時代。

我在很多次報告和文章中提到，光學(xué)成像朝著“更高、更遠、更廣、更小、更強”發(fā)展，即更高的分辨率、更遠的作用距離、更廣的視場、更小的光學(xué)成像體系、更強的環(huán)境適應(yīng)性。具體的，可以查閱“計算成像技術(shù)與應(yīng)用最新進展”和“計算成像內(nèi)涵與體系”等論文，在此不贅述。