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。计算光学可以理解为信息编码的光学成像方法。

什么是计算光学成像？

光电成像的本质是光场信息的获取与解译，这里的光场是指光的强度、偏振、光谱、相位等物理量在空间中的分布，与光场相机描述的那个光场不同，那是一个纯几何光学描述的强度分布信息。

传统光电成像是建立在几何光学的基础上，光场信息的获取是记录了二维的空间面上光强度分布，与人眼视觉相似，所见即所得，一般没有光场解译的过程。但是，我们应该能意识到，进入到成像系统的信息实际上多于我们所见的图像，这也就意味着有部分信息其实是可以进行解译的。

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。

为什么叫计算成像？计算光学成像最早的叫法是“Computational Photography”，是由Computer Science的学者命名的，中文多翻译为“计算摄影”，包括“光场相机”，都不是光学专家提的。在这里，我们要感谢计算机信息领域的学者，他们走在光学的学者前面。随着压缩感知和计算成像技术的快速发展，更多的光学专家也开始关注在传统的光电成像中加入光学编码，然后进行解码，从而获得景深等信息，他们认为成像就是“Imaging”，所以，更多人开始接受以“Computational Imaging”替代“Computational Photography”。实际上，这是一回事。逐渐地，越来越多不同领域的科学家开始从不同的视角去看计算成像，于是，从事计算成像的人越来越多，成为了研究热点。

特别要注意，“计算成像”这个词是由Computer Science的研究人员最先提出来的，这里的“计算”不仅仅是信号处理的计算，其实我们应该理解为“编解码”（Coding/Decoding），光学的编码有很多种方式：孔径编码、波前编码、探测器编码等等，所以，计算光学成像可以理解为信息编码的光学成像方法。

我们通常指的计算成像，其实就是计算光学成像。

为何要发展计算成像？

几何光学给我们带来了很大的便利，系统简单易用，工业化体系完备；但是，我们也看到了几何光学存在的物理限制，在测距、视觉测量等方面受限因素颇多，一般能达到的精度为10^-2至10^-3数量级，难以实现10^-5到10^-6这样数量级精度的跨越。我们知道，激光测距可以达到10^-6这样数量级的精度，原因就是在模型中进入了相位测量，属于典型的物理光学应用。

那么，如果能将物理光学引入到成像模型中，通过信息编码/解译获得超越几何光学成像的极限，这便是计算成像。我们期望计算成像技术能够突破传统光电成像的极限，通过信息赋能方式，步入信息时代。

我在很多次报告和文章中提到，光学成像朝着“更高、更远、更广、更小、更强”发展，即更高的分辨率、更远的作用距离、更广的视场、更小的光学成像体系、更强的环境适应性。具体的，可以查阅“计算成像技术与应用最新进展”和“计算成像内涵与体系”等论文，在此不赘述。