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  • 專家談計算光學成像

    作者:邵曉鵬 來源:西電科大光電成像工程中心 時間:2023-02-15 10:29 閱讀:3003 [投稿]
    計算光學成像是下一代光電成像技術,是光電成像技術步入信息時代的必然產物,其本質是光場信息的獲取和解譯,是在幾何光學成像的基礎上有機引入物理光學信息,以信息傳遞為準則,通過信息獲取更高維度的信息。

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

    什么是計算光學成像?

    光電成像的本質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描述的強度分布信息。

    傳統光電成像是建立在幾何光學的基礎上,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,我們應該能意識到,進入到成像系統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。


    計算光學成像本質上是下一代光電成像技術,是光電成像技術在信息時代發展的必然。我們可以做如下定義:計算光學成像在傳統幾何光學的基礎上,有機融入了物理光學的信息,如偏振、相位、軌道角動量等物理量,以信息傳遞為準則,多維度獲取光場信息,并結合數學和信號處理知識,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?計算光學成像最早的叫法是“Computational Photography”,是由Computer Science的學者命名的,中文多翻譯為“計算攝影”,包括“光場相機”,都不是光學專家提的。在這里,我們要感謝計算機信息領域的學者,他們走在光學的學者前面。隨著壓縮感知和計算成像技術的快速發展,更多的光學專家也開始關注在傳統的光電成像中加入光學編碼,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,越來越多不同領域的科學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,其實我們應該理解為“編解碼”(Coding/Decoding),光學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,計算光學成像可以理解為信息編碼的光學成像方法。

    我們通常指的計算成像,其實就是計算光學成像。

    為何要發展計算成像?

    幾何光學給我們帶來了很大的便利,系統簡單易用,工業化體系完備;但是,我們也看到了幾何光學存在的物理限制,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數量級,難以實現10^-5到10^-6這樣數量級精度的跨越。我們知道,激光測距可以達到10^-6這樣數量級的精度,原因就是在模型中進入了相位測量,屬于典型的物理光學應用。

    那么,如果能將物理光學引入到成像模型中,通過信息編碼/解譯獲得超越幾何光學成像的極限,這便是計算成像。我們期望計算成像技術能夠突破傳統光電成像的極限,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,光學成像朝著“更高、更遠、更廣、更小、更強”發展,即更高的分辨率、更遠的作用距離、更廣的視場、更小的光學成像體系、更強的環境適應性。具體的,可以查閱“計算成像技術與應用最新進展”和“計算成像內涵與體系”等論文,在此不贅述。

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