摘要：計算光學(xué)成像是一種通過聯(lián)合優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)和信號處理以實現(xiàn)特定成像功能與特性的新興研究領(lǐng)域。它并不是光學(xué)成像和數(shù)字圖像處理的簡單補充，而是前端（物理域）的光學(xué)調(diào)控與后端（數(shù)字域）信息處理的有機結(jié)合，通過對照明、成像系統(tǒng)進行光學(xué)編碼與數(shù)學(xué)建模，以計算重構(gòu)的方式獲取圖像與信息。這種新型的成像方式將有望突破傳統(tǒng)光學(xué)成像技術(shù)對光學(xué)系統(tǒng)以及探測器制造工藝、工作條件、功耗成本等因素的限制，使其在功能（相位、光譜、偏振、光場、相干度、折射率、三維形貌、景深延拓，模糊復(fù)原，數(shù)字重聚焦，改變觀測視角）、性能（空間分辨、時間分辨、光譜分辨、信息維度與探測靈敏度）、可靠性、可維護性等方面獲得顯著提高。現(xiàn)階段，計算光學(xué)成像已發(fā)展為一門集幾何光學(xué)、信息光學(xué)、計算光學(xué)、現(xiàn)代信號處理等理論于一體的新興交叉技術(shù)研究領(lǐng)域，成為光學(xué)成像領(lǐng)域的國際研究重點和熱點，代表了先進光學(xué)成像技術(shù)的未來發(fā)展方向。本文概括性地綜述了計算光學(xué)成像領(lǐng)域的歷史沿革、發(fā)展現(xiàn)狀、并展望其未來發(fā)展方向與所依賴的核心賦能技術(shù)，以求拋磚引玉。

0 引言

上帝說要有光，于是便有了光；光學(xué)“optics”一詞源自古希臘字“?πτικ?”，意為 “看見”、“視見”。三千年前，古埃及人與美索不達(dá)米亞人第一次將石英晶體磨光制成寧路德透鏡（Nimrud lens），這翻開了人類光學(xué)成像歷史的第一頁［1］。時光流轉(zhuǎn)，如今我們手持搭載潛望式長焦鏡頭與人工智能算法的智能手機就能拍攝皎潔白月與絢麗星空［2］。現(xiàn)如今，人類享受著光學(xué)成像技術(shù)帶來的多姿多彩的絢麗生活，也一直在為了看得“更遠(yuǎn)、更廣、更清晰”這個永無止境的目標(biāo)前赴后繼。由于視覺是人類獲得客觀世界信息的主要途徑，據(jù)估計人類感知外界信息有80%是來自于視覺。而人眼由于受限于視覺性能，在時間、空間、靈敏度、光譜、分辨力等方面均存在局限性。光學(xué)成像技術(shù)利用各種光學(xué)成像系統(tǒng)，即獲取客觀景物圖像的工具，如顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、醫(yī)療CT、手機攝像機和照相機等（見圖1），實現(xiàn)光信息的可視化，同時延伸并擴展人眼的視覺特性。

圖1. 常見的光電成像系統(tǒng)

一個典型的光學(xué)成像系統(tǒng)主要由光源、光學(xué)鏡頭組、光探測器三部分組成。光學(xué)鏡頭將三維場景目標(biāo)發(fā)出或者透/反/散射的光線聚焦在表面上，探測器像素和樣品之間通過建立一種直接的一一對應(yīng)關(guān)系來獲取圖像，光場的強度由光探測器離散采集并經(jīng)過圖像處理器數(shù)字化處理后形成計算機可顯示的圖像，整個過程如圖2所示。這種“所見即所得”的成像方式受強度成像機理、探測器技術(shù)水平、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、成像衍射極限等因素限制以及單視角、相位丟失、光譜積分、二維平面成像等因素的制約，導(dǎo)致高維度樣品信息的缺失或丟失。此外光學(xué)鏡頭組通常需要和光學(xué)鏡片、鏡筒、光圈以及調(diào)焦系統(tǒng)等部件配合使用以獲得清晰的圖像，大大增加了成像裝置的體積和復(fù)雜度。

圖2. 傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)的成像過程

光學(xué)成像技術(shù)的出現(xiàn)延伸并擴展人眼的視覺特性，其以成像分辨率（時間、空間、光譜）的提高、成像維度的拓展、探測靈敏度的提升作為技術(shù)發(fā)展目標(biāo)（圖3）。受當(dāng)今電子信息時代的影響，高性能、低成本、體積小、重量輕的光學(xué)成像系統(tǒng)越來越受到廣泛的重視與需求。商用相機和手機攝像頭因其光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)小巧，價格低廉，已成為人們不可或缺的日常用品。然而傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)因受強度成像機理、探測器技術(shù)水平、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、成像衍射極限等因素制約，在空間分辨、時間分辨、光譜分辨、信息維度與探測靈敏度等方面仍存在一定局限性。隨著人們對成像系統(tǒng)功能與性能的不斷追求，以及軍用和民用領(lǐng)域日益增長的高分辨、高靈敏度以及多維高速成像的應(yīng)用需求，也對光學(xué)成像技術(shù)提出了更具挑戰(zhàn)性的要求：例如在顯微成像領(lǐng)域，一方面需要顯微成像系統(tǒng)能夠?qū)o色透明的生物細(xì)胞組織實現(xiàn)無標(biāo)記、多維度、高分辨、寬視場成像觀察，另一方面需要顯微成像系統(tǒng)能夠小型化便攜式，以滿足當(dāng)今迅速增長的即時檢驗與遠(yuǎn)程醫(yī)療的應(yīng)用需求。在空間科技領(lǐng)域，同樣需要光學(xué)成像系統(tǒng)不斷減小重量和體積，以節(jié)省運載空間或降低運載成本。

在工業(yè)制造領(lǐng)域，需要視覺檢測儀要能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高分辨、高速實時的三維成像與傳感，以滿足快速在線檢測與機器人視覺導(dǎo)航等應(yīng)用需求。在醫(yī)療診斷領(lǐng)域，如內(nèi)窺鏡等設(shè)備，在保證清晰成像觀測的同時，需要將設(shè)備做得更小，以減輕患者的痛苦與不適。在地質(zhì)勘探領(lǐng)域，如在光線較暗的環(huán)境探測情況下，需要光學(xué)成像系統(tǒng)對光具有更高的透過率、響應(yīng)靈敏度和動態(tài)范圍，以提高圖像的亮度與成像的信噪比。采用傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)計思路想要獲得成像性能的少量提升，通常意味著硬件成本的急劇增加，甚至難以實現(xiàn)工程化應(yīng)用。另一方面，光探測器規(guī)模尺寸、像元大小、響應(yīng)靈敏度等已接近物理極限，很難滿足這些極具挑戰(zhàn)性的需求。

圖3. 光學(xué)成像技術(shù)的五方面發(fā)展目標(biāo)

隨著成像電子學(xué)的發(fā)展，計算機數(shù)據(jù)處理能力的增強，光場調(diào)控、孔徑編碼、壓縮感知、全息成像等光、電信息處理技術(shù)取得了重大的進展；另一方面，經(jīng)過成千上萬年，自然界已經(jīng)演化出多類能夠適應(yīng)不同生存需求的生物視覺系統(tǒng)，從生物視覺系統(tǒng)中獲得靈感無疑可以對新一代光學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展帶來有益的啟示。在此背景下，20世紀(jì)90年代中期光學(xué)成像界和計算機視覺界的許多研究人員不約而同地探索出了一種新型成像模式：即圖像形成不再僅僅依賴于光學(xué)物理器件，而是前端光學(xué)和后探測信號處理的聯(lián)合設(shè)計［3］，這種技術(shù)就是現(xiàn)在廣為人知的“計算成像”（Computational imaging）技術(shù)。計算成像將光學(xué)調(diào)控與信息處理有機結(jié)合，為突破上述傳統(tǒng)成像系統(tǒng)中的諸多限制性因素提供了新手段與新思路［3］。對于“計算成像”，目前國際上并沒有清晰的界定和嚴(yán)格的定義。目前普遍接受的一種說法是計算成像是通過光學(xué)系統(tǒng)和信號處理的有機結(jié)合與聯(lián)合優(yōu)化來實現(xiàn)特定的成像系統(tǒng)特性，它所得到的圖像或信息是二者簡單相加所不能達(dá)到的。

它可以擺脫傳統(tǒng)成像系統(tǒng)的限制，并且能夠創(chuàng)造新穎的圖像應(yīng)用［4–8］。這種成像技術(shù)的實現(xiàn)方法與傳統(tǒng)成像技術(shù)有著實質(zhì)上的差別，給光學(xué)成像領(lǐng)域注入了新的活力［9］。21世紀(jì)初，計算成像技術(shù)在斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院、哥倫比亞大學(xué)、杜克大學(xué)、南加州大學(xué)、微軟研究院等國際著名研究機構(gòu)的研究學(xué)者的推動下得以迅猛發(fā)展，發(fā)展了波前編碼成像、光場成像、時間編碼成像、孔徑編碼成像、偏振成像、高光譜成像、單像素成像、結(jié)構(gòu)光三維成像、數(shù)字全息成像、無透鏡成像、定量相位成像、衍射層析成像、穿透散射介質(zhì)成像等一系列計算光學(xué)成像的新概念與新體制。近年來，光學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)由傳統(tǒng)的強度、彩色成像發(fā)展進入計算光學(xué)成像時代。通過將光學(xué)系統(tǒng)的信息獲取能力與計算機的信息處理能力相結(jié)合，實現(xiàn)相位、光譜、偏振、光場、相干度、折射率、三維形貌等高維度視覺信息的高性能、全方位采集。現(xiàn)如今，計算光學(xué)成像已發(fā)展為一門集幾何光學(xué)、信息光學(xué)、計算光學(xué)、計算機視覺、現(xiàn)代信號處理等理論于一體的新興交叉技術(shù)研究領(lǐng)域，成為光學(xué)成像領(lǐng)域的一大國際研究重點和熱點。

這里必須說明的是：“計算成像”這個新興詞匯很容易被誤解為“計算機成像”，或者僅僅被誤認(rèn)為是“傳統(tǒng)成像”與“數(shù)字圖像處理”技術(shù)的延伸。筆者認(rèn)為這里有必要加以強調(diào)與區(qū)分。傳統(tǒng)光學(xué)成像是為了獲得可滿足人眼或者機器視覺要求的圖像，所以在進行圖像采集時就需要保證獲取高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)。而實際操作中由于種種原因，成像效果往往達(dá)不到理想預(yù)期，所以通常還需要借助于數(shù)字圖像處理技術(shù)對采集圖像進行進一步加工。從學(xué)術(shù)級的Matlab、ImageJ，到專業(yè)級的Adobe Photoshop，乃至大眾都在使用的“美圖秀秀”，都屬于典型的數(shù)字圖像處理軟件的范疇。在此過程中，光學(xué)成像過程與數(shù)字圖像處理是獨立且串行的關(guān)系，算法被認(rèn)為是后處理過程，并不納入成像系統(tǒng)設(shè)計的考慮之中，如圖4所示。這即決定了傳統(tǒng)成像技術(shù)無法從根本上通過圖像處理技術(shù)來挖掘出更多場景的本質(zhì)信息。簡言之，如果成像前端所獲取的圖像數(shù)據(jù)缺失或者質(zhì)量不理想（如嚴(yán)重離焦、噪聲污染），后端僅依靠圖像處理技術(shù)很難加以彌補。因為信息并不會憑空產(chǎn)生，正所謂“巧婦難為無米之炊”。

圖4. 傳統(tǒng)數(shù)字圖像處理往往僅作為成像的后處理過程

與傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)“先成像，后處理”的成像方式截然不同，計算光學(xué)成像采用的是“先調(diào)制，再拍攝，最后解調(diào)”的成像方式。其將光學(xué)系統(tǒng)（照明、光學(xué)器件、光探測器）與數(shù)字圖像處理算法作為一個整體考慮，并在設(shè)計時一同進行綜合優(yōu)化。前端成像元件與后端數(shù)據(jù)處理二者相輔相成，構(gòu)成一種“混合光學(xué)—數(shù)字計算成像系統(tǒng)”，如圖5所示。不同于傳統(tǒng)光學(xué)成像的“所見即所得”，計算光學(xué)成像通過對照明與成像系統(tǒng)人為引入可控的編碼或者“扭曲”，如結(jié)構(gòu)照明、孔徑編碼、附加光學(xué)傳函、子孔徑分割、探測器可控位移等并作為先驗知識，目的是將物體或者場景更多的本質(zhì)信息調(diào)制到傳感器所能拍攝到的原始圖像信號中（又被稱作中間像，Intermediate image，因為該圖像往往無法直接使用或觀測）。

在解調(diào)階段，基于幾何光學(xué)、波動光學(xué)等理論基礎(chǔ)上通過對場景目標(biāo)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像再到探測器這一完整圖像生成過程建立精確的正向數(shù)學(xué)模型，再經(jīng)求解該正向成像模型的“逆問題”，以計算重構(gòu)的方式來獲得場景目標(biāo)的高質(zhì)量的圖像或者所感興趣的其它物理信息。正如其名，“計算成像”中的圖像并不是直接拍攝到的，而是計算出來的。這種計算成像方法實質(zhì)上就是在場景和圖像之間建立了某種特定的聯(lián)系，這種聯(lián)系可以是線性的也可以是非線性的，可以突破一一對應(yīng)的直接采樣形式，實現(xiàn)非直接的采樣形式，使得采樣形式更加靈活，更能充分發(fā)揮不同傳感器的特點與性能。如果說光電成像技術(shù)延伸并擴展了人眼的視覺特性，那么計算成像技術(shù)則進一步延伸并擴展光電成像器件的成像維度與探測性能。

這種新型的成像方式將有望突破傳統(tǒng)光學(xué)成像技術(shù)對光學(xué)系統(tǒng)以及探測器制造工藝、工作條件、功耗成本等因素的限制，使其在功能（相位、光譜、偏振、光場、相干度、折射率、三維形貌、景深延拓，模糊復(fù)原，數(shù)字重聚焦，改變觀測視角）、性能（空間分辨、時間分辨、光譜分辨、信息維度與探測靈敏度）、可靠性、可維護性等方面獲得顯著提高，有助于實現(xiàn)成像設(shè)備的高性能、微型化、智能化。

審核編輯 ：李倩