計算光學(xué)成像是一個新興多學(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)計遠(yuǎn)超人眼的感知新范式;同時，結(jié)合數(shù)學(xué)和信號處理知識，深度挖掘光場信息，突破傳統(tǒng)光學(xué)成像極限。
目前，計算光學(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。
趨勢解讀
傳統(tǒng)光學(xué)成像建立在幾何光學(xué)基礎(chǔ)上，借鑒于人眼視覺“所見即所得”原理，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、云計算、人工智能等技術(shù)的不斷演進(jìn)，新型解決方案逐步浮出水面——計算光學(xué)成像。計算光學(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)計遠(yuǎn)超人眼的感知新范式;同時，結(jié)合數(shù)學(xué)和信號處理知識，深度挖掘光場信息，突破傳統(tǒng)光學(xué)成像極限。
計算光學(xué)成像是一個新興多學(xué)科交叉領(lǐng)域,早期概念在上個世紀(jì)70年代中期才逐步形成。隨著信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，計算光學(xué)成像已成為國際研究熱點(diǎn)。由于計算光學(xué)成像研究內(nèi)容覆蓋范圍廣，目前還沒有一個比較明確的分類方法。
按照計算成像技術(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)。
計算光學(xué)成像技術(shù)現(xiàn)處于高速發(fā)展階段，還需克服非常多挑戰(zhàn)：首先，需以傳感器為中心重新設(shè)計光學(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)試時間成本;再次，為了使計算成像硬件和軟件有更好協(xié)同，則需重新開發(fā)算法工具;最后，對算力要求非常高，對應(yīng)用設(shè)備芯片及其適配性提出更高要求。
計算光學(xué)成像雖然是一個新興技術(shù)，但已取得了很多令人振奮的研究成果(2014諾貝爾獎——超分辨熒光顯微成像、2017年諾貝爾獎——冷凍電鏡)，并在手機(jī)攝像、醫(yī)療、監(jiān)控、工業(yè)檢測、無人駕駛等領(lǐng)域開始規(guī)模化應(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，可實(shí)現(xiàn)穿云透霧。還有非視域成像，通過記錄并解析光傳播的高速過程來對非視域下目標(biāo)進(jìn)行有效探測，實(shí)現(xiàn)隔墻而視，在反恐偵察、醫(yī)療檢測等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。
專家點(diǎn)評
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”的一一映射到對高維光場的耦合編碼與計算重構(gòu)，計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)測安防監(jiān)控，計算成像將融入人們生活的方方面面，推動數(shù)字經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展。
吳嘉敏 清華大學(xué)自動化系助理教授
（達(dá)摩院）
