专家谈计算光学成像
计算光学成像是下一代光电成像技术,是光电成像技术步入信息时代的必然产物,其本质是光场信息的获取和解译,是在几何光学成像的基础上有机引入物理光学信息,以信息传递为准则,通过信息获取更高维度的信息。
那么,我们思考一下:为什么参与计算成像研究的人那么多?正如前面所述,光电成像的应用在很多领域已难以满足我们的需要了,比如:透过车窗户如何看清坐在里面的人?手机屏幕能不能因为前置摄像头的存在去掉“刘海”?手机的镜头能不能不凸出?雾霾天能不能还能看清楚?宽谱的光学合成孔径如何实现?光学成像能否像科幻电影里一样可以无限放大图像?被动成像能否高精度获得深度信息?……这些问题一直困扰着研究人员,也是促进计算成像发展的动力。于是,不同领域的研究人员就使出了“八仙过海”的神通,在各自的领域中开拓发展计算成像技术,紧接着,百花齐放的景象就出现了。这对计算成像的发展无疑是很好的促进,但是,我们也应该看到,重复研究、局限于局部视角看问题、甚至想单一技术解决所有问题的想法都已出现,因此,在这个时候需要提出计算成像的体系建设问题。“计算成像内涵与体系”一文重点讲的就是这个内容,希望能够从全局的观点看问题、以计算成像基础理论作为牵引,发展计算成像技术。 计算成像的未来是什么 那么,计算成像的未来是什么?给我们会带来哪些新的变化? 正如文首所言,计算成像是下一代的光电成像技术,是光学成像步入信息时代的必然产物,其结果是颠覆传统光电成像,突破现有成像技术的局限,实现“更高、更远、更广、更小、更强”,解决上一节提出的诸类问题。 计算光学成像本质上是下一代光电成像技术,是光电成像技术在信息时代发展的必然。我们可以做如下定义:计算光学成像在传统几何光学的基础上,有机融入了物理光学的信息,如偏振、相位、轨道角动量等物理量,以信息传递为准则,多维度获取光场信息,并结合数学和信号处理知识,深度挖掘光场信息,通过物理过程解译获取更高维度的信息。 未来,我们的光电成像将以全新的方式出现,在以传统几何光学为基础的成像中,引入了物理光学的元素,被动的光电成像系统中也将会有距离信息、方位信息,离焦、运动模糊等现象将不复存在,宽谱非相干的合成孔径成为现实,多个相机的排列可以合成大口径实现高分辨率成像,单个相机的凝视成像也能超分辨率,光电成像可以由计算实现自适应环境,抵御恶劣环境对成像的影响。同时,计算成像也是革命性的,传统成像是建立在稳定约束条件下的,而计算成像则引入了非稳态元素,这将引起传统光学制造、检测工业的革命,评价方法、测量方法、计量手段都发生了新的变化。 举个例子,超大口径的天文望远镜是非常复杂的系统工程,不仅表面面型要稳定控制,而且镜面的精度要求也非常高;加工和检测的要求极高,加工周期和成本与口径大小呈指数关系。可以想象,加工超过10m口径的望远镜,难度极高。但计算光学技术的引入,将改变这一现状,不仅对面型放松了要求,而且加工精度也放松了很多,甚至引入编码技术,可以降低对焦难度,获取更大的景深,甚至能够获得光谱的信息。 另外一个例子是手机,多种光学合成孔径技术的应用可以使得相机“越看越清楚”,克服雾霾也指日可待。偏振成像技术应用到手机中,可以直接获得“立体”视觉,可以作为“全息成像”的视频源;手机摄像也可以用于日常的光学测量,例如买房测实用面积、物体尺寸的测量等等。 |
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