计算成像技术

一、军事应用背景

计算成像是为了克服传统光电成像存在的固有问题而产生的，由于受到光学系统衍射极限、光学加工工艺、光在水等介质传播时散射的限制等，尤其是受到传统光电成像理论的限制，对于去运动模糊、全景深成像、穿透云雾、突破极远弱小目标极限探测等难以成像的问题理论上存在缺陷；同时，随着光电装备的飞速发展，对光电载荷的要求越来越高，作用距离与光学系统的焦距和口径有着直接的关系，这就导致光电成像系统的体积、重量、功耗和成本（SWaP, Size, Weight and Power）都制约着光学系统的发展。计算光学成像是集光学、信号处理和数学于一体的新兴交叉学科，系统地以全局观点来描述光学成像，将是计算成像技术的必然之路。
当前，大量计算成像技术已应用于军事领域，在一些国家的军事行动中大显身手。这一技术“从军”的代表作，为各国研发的合成孔径雷达、穿墙透视雷达以及采用的全息影像技术。
1)合成孔径雷达
合成孔径雷达是一种新型高分辨率雷达，用于扫描得到物体的二维或三维信息，尤其是在能见度极低的气象条件下，依然能得到高分辨率图像。
合成孔径雷达利用天线在目标区域上的运动，并以信息处理的方法，来提供比传统固定波束扫描雷达更精细的空间分辨率。因此，合成孔径雷达通常被安装在飞机、航天器等移动平台上。对于固定的天线尺寸和方向，因距离更远的物体会保持更长的照明时间，为此合成孔径雷达具备为更远物体创建更大合成孔径的特点，从而使其拥有较广的搜索范围。
2)穿墙透视雷达
现代战场上，错综复杂的建筑和墙体是城市巷战的最好掩体。在当前的军事应用中，有一种穿墙透视雷达，能发射穿透力较强的高频电磁波，对墙体进行扫描探测。这种雷达的探测器通过接收经过漫反射的回波信号，并利用算法计算得到墙体背后的情况，从而使掩体内的军事人员和设施无处遁形。
3)全息影像技术
这是利用干涉和衍射原理记录并再现物体三维图像的一种技术。利用全息投影技术，观众无须佩戴3D眼镜，便可从任何角度观看影像的不同侧面，所观看的3D影像拥有极强的空间感和真实感。未来战场上，在具有跨越物理域、信息域、认知域等多域精确作战特点的情况下，全息影像技术将有着特殊应用价值。
全息影像技术应用到未来作战场景中，可将现代化信息系统的仿真三维战场环境，以沉浸方式呈现，以便更直观、更全面地为指战员决策提供战场态势感知支持。同时，利用此技术，可开展战场适应性训练，以提高指战员的战场适应能力。除此之外，利用全息影像技术还可研制出幻觉武器，如伪造轰炸机、航母、无人机蜂群等作战武器蜂拥而至的场景，伪造重要军事目标的虚拟影像等，以达到迷惑敌人、引发意识混乱、摧毁敌人战斗意志的目的；对武器装备进行视觉伪装，如飞行器能实现与天空融为一体的效果，从而达到视觉隐身目的；在战场上虚拟假目标，从而吸引误导敌军火力，降低对手的打击效率等。

二、计算成像技术的发展历史

光是人类感知世界的信息载体，对信息进行记录的成像过程则是信息获取与丢失并存的。以费马引理为成像准则的传统光电成像系统，信息获取方式所限导致相位、偏振、光谱等光场信息存在缺失，使得探测器仅获得二维强度图像的单一物 理量信息，致使“更高（成像分辨率）、更远（探测距离）、更大（成像视场）、更小（功耗和体积）”的成像需求难以达到。随着科技的不断发展，传统光电成像技术虽得到了长足的发展，但依然存在很多缺点：
1）信息获取器件有限导致光电成像探测器只能探测强度信息，无法获取光谱、偏振、相位等其他多维物理量，造成成像过程中光场信息的丢失；
2）光场信息解译难致使光电成像系统在雾霾天气条件及云雾遮挡等恶劣环境下往往无法正常工作；
3）受到光学口径的限制，成像分辨率和作用距离严重受限，单纯依靠传统成像方法无法达到要求；
4）离焦、运动模糊及深度信息缺失是传统光电成像装备难以解决的问题；
5）新型成像理论的缺失导致传统成像系统存在体积和重量大、功耗高、结构复杂、透过率差、成本高等缺点；
6）平面探测器的均匀采样技术导致成像数据大量冗余、图像畸变大等难题。因此，探索光电成像新体制，利用新方法挖掘光场信息就成为了新型计算成像技术（CIT）的必经之路。
伴随着传感器的多功能化、信息计算能力飞升等新一代技术的快速发展而出现的新型计算成像技术，是集光学、数学、信号处理于一体的新兴交叉技术。该技术打破了传统光电成像技术对成像过程的分立式表征，而将照明、光经过介质的传输、光学系统、成像探测器、成像电路和显示等一体化考虑，系统地以全局观点描述光学成像。计算成像技术是面向问题导向的，即针对特定问题对成像链路中光源、传输介质等进行相应处理以达到预期目的。新型计算成像技术由于具有高性能的计算能力及全局化的信息处理能力，突破了传统成像技术难以解决的种种难题，使得超衍射极限成像、无透镜成像、大视场高分辨率成像及透过散射介质清晰成像成为可能，带来了成像领域又一次新的变革。

三、计算成像技术的发展现状

近年来，计算成像受到了国内外科研机构及科研工作者的广泛关注，成为科学研究的重点问题之一。本文从透过散射介质成像、偏振成像、仿生光学成像、三维成像及计算成像光学系统设计等典型的计算成像技术出发，对“更高、更远、更大、更小”问题进行详细分析。
(一)透过散射介质成像技术
光波经过云雾、烟尘、生物组织、浑浊液体等散射介质时，其中一部分光波会偏离原来的传播方向而向不同方向散开，从而形成散射现象。由于介质对光波的散射作用不仅会改变光波的传播方向，同时也会改变入射光波的强度、相干性、偏振等特性，在早期的研究中，散射光通常被视为阻碍成像的噪声，需借助时间、空间、偏振、相干等技术对其进行抑制，提升光学系统对弹道光的响应，这在一定程度上提升了成像质量。然而，弹道光的强度随入射深度的增加呈指数规律衰减，当光波在介质中的入射深度大于散射平均自由程的5倍时，99％以上的光都会发生散射，导致用于成像的弹道光非常微弱，此时上述几种技术将不再适用，如何透过散射介质实现高分辨率成像是光学成像中亟待解决的问题。
现有的透过散射介质成像方法主要有波前整形和基于光学记忆效应的散射成像技术。波前整形技术，包含光学相位共轭、基于反馈优化的波前整形和光学传输矩阵技术三部分，该技术主要研究光波在介质中的传播规律及特性，为散射效应的利用奠定基础。基于光学记忆效应的散射成像技术，包含散斑相关成像技术和点扩展函数工程成像技术两部分，该技术的核心在于利用散斑统计分布来实现透过散射介质成像及相关工作。
（二）基于波前整形的散射成像技术
21世纪初，法国 Fink等研究发现，脉冲声波传输通过散射介质，被时间反演镜反射并再次通过散射介质后，该列脉冲声波能够在波源处重聚焦，且其聚焦效果（λ/40）超过了声波的衍射极限，这一方法称为时间反演技术（TRT）。受到 TRT 可以克服声波散射的启发，2007年，荷兰 Twente大学Vellekoop等提出波前调制技术（WMT），该技术通过反馈算法控制空间光调制器 （SLM）对入射波前进行补偿，结合光学相位共轭（OPC）的思想实现了透过散射介质的聚焦及成像。近年来，基于WMT可以实现散射介质到“散射透镜”、“散射光谱仪”甚至更为复杂的光学元件的转变。事实上，早在1990年，以色列科学家Freund就从理论上分析过，通过适当控制光场，散射介质能够起到许多光学元件的作用。除了之前的透镜作用，2012年，韩国Park等利用波前整形技术（WST），通过实验验证了散射介质能够作为动态波片及光谱滤波器使用。同年，Guan等利用 WST将厚度范围为（15±5）μｍ 的 ZnO 粉末介质层变为有效的偏振片。此后，Park等详细介绍了利用WST将散射介质作为独立光学元件的方式和优势。为解决基于WST的反馈控制耗时长、抗噪性差等问题，近几年的方法主要围绕算法设计、模式代替原有的基于反馈控制的相位调制算法，提升了成像效率。同时，如果能够获得散射成像系统的TM，结合适当的图像重建算法，也能够有效恢复目标信息。
(三)偏振透雾霾技术
雾霾条件下的物理退化模型，探测器接收到的光强主要包括两部分：１）场景中目标的反射光（直接透射光），包含了场景中的目标信息；２）环境光经雾霾颗粒散射形成的杂散光（大气光），是造成图像退化的主要原因。最初的偏振去雾技术是由Schechner等于2001年提出的，详细理论于2003年整理发表。该方法在相机镜头前安装一线偏振片，在旋转线偏振片的过程中，由于大气光的部分偏振特性，图像会呈现明暗变化，在图像最亮和最暗时分别进 行采集，提出一种基于两正交差分的偏振成像去雾技术。基于此诸多科研机构对偏振成像去雾技术进行了广泛的研究。2011年冯斌等提出一种偏振滤波抑制大气光的性能计算模型，定义了大气背景光抑制比（ARR），分析了不同雾霾天气条件下太阳夹角、地物类型和大气能见度的变化对ARR的影响。同年集美大学彭文竹利用边缘检测和最佳正态分布搜索算法分割天空区域，从而估算大气光强度及大气传递系数，最终实现去雾操作。
(四)计算光学系统设计
近年来，基于计算光学原理发展起来的计算光学系统设计技术，不再分立地优化光学系统和信号处理部分，而是以全局性优化思想统筹光学系统设计和后期信息处理，获取最优成像结果，为光学设计提供了新的发展动力。随着计算成像技术的发展，基于光学成像链路的全局性优化计算成像思想逐渐形成，借助图像复原算法对光学探测器捕获图像的再处理能力，最终获得符合应用需求的图像。
(五)三维成像技术
自然界中的信息通常以三维形式存在，人类可以通过视觉获取自然界中的三维信息。然而，传统成像系统在信息获取和采集的过程中将三维场景记录为二维图像，丢失了深度维的信息。目前的三维成像方法主要有基于几何光学的双目立体视觉、基于相位成像的全息三维成像、结构光三维成像、偏振三维成像等。

四、计算成像技术的发展趋势

(一)相位恢复技术
从未来的发展趋势看，多算法融合，即发展混合算法，是解决现有难题的主要途径之一，如最优化方法与迭代法结合、基于分数傅里叶变换的相位恢复算 法 及TIE方法与IPR算法的结合等。同时，在检测大非球面度的光学元件面型时，将相位恢复方法与计算全息相位补偿方法相结合也是一个重要的发展趋势，可进一步拓展自由曲面的检测范围，降低自由曲面检测受测量环境的影响，提升检测方法的通用性和灵活性。另外，随着相位恢复技术在更多领域的应用，如生物医学成像、干涉显微成像、计算全息成像、散射成像等，又出现了一些新的挑战，如何解决这些难题也将进一步推动相位恢复算法的研究。
(二)图像重建技术
图像重建技术是计算成像链路中的核心计算部分的重要处理技术之一。造成图像退化的原因大致可分为光学衍射效应、传感器非线性畸变、大气湍流扰动、图像运动模糊等。图像复原的关键问题在于建立有效的图像退化模型，基于此模型反演恢复原始图像。
(三)全景深清晰成像
传统的成像过程中会丢失场景的深度信息，由于景深与图像模糊程在数学上存在一定的映射关系，研究人员尝试恢复丢失的深度信息。理论上，景深与离焦模糊程度存在着一一对应的关系，当得到景深对应的模糊卷积核时，可利用逆卷积方式获得该景深处的清晰图像，因此，利用这一关系可实现全景深清晰成像，即光场相机。
(四)振铃效应
目前，计算机的架构依然是基于冯·诺依曼原理实现的，其核心是二进制存储及处理，优势在于数字电路易于实现，缺点是不能完成连续函数的运算和无穷问题的运算。在数字图像处理中，常常会用到傅里叶变换等无穷运算的问题，在处理时会发生信号截断，将原先的无穷域变成有限域，从而改变了原先数学上的结果。典型的案例就是数字图像处理中的傅里叶变换，因为计算机无法处理无穷问题，当信号截断严重时，会出现明显的振铃效应。

五、个人理解

传统的光学系统设计是工业化时代的产物，只负责完成光学系统的最优化设计，而不考虑全局性的问题，对成像和探测不同的需求也不作区分，导致结构复杂且成本昂贵。计算成像光学系统设计基于全局优化，也是对自由曲面设计的挑战，放松对镜面精度的设计要求，通过计算的方式实现高分辨率成像，其核心科学问题是超宽光谱的光场恢复。总之，传统光学系统设计方法历时逾百年，颠覆传统光学设计的时代已然来临！