计算光学成像在散射中的应用

自然界中普遍存在光散射现象。如何通过散射介质实现高分辨率成像是光学成像领域亟待解决的重要问题。在早期研究中,多重光散射被认为是雾霾、云层、生物组织等复杂介质成像中的障碍。然而,最近研究表明,散射并不是成像的基本限制:光子在经过多次散射后仍然包含了大量信息。为了深入了解新兴的计算光学成像是如何解决多重光散射问题的,文中主要介绍了波前整形、散斑相关及深度学习等方法在散射成像领域中的研究进展。最新的研究成果表明:波前整形可以实现动态散射介质内部的高分辨率快速聚焦;散斑相关能够利用单帧散斑实现非侵入式成像;基于深度学习的成像技术能恢复出隐藏在光学厚度为13.4的白色聚苯乙烯平板背后的物体。     

非视域成像技术分析与展望（特邀）

传统的光学成像技术受限于信息获取和处理方式,只能对视域范围内的目标进行成像。伴随着新型成像设备和高性能计算方法的发展,集光学成像、计算技术和图像处理于一体的非视域成像技术（none-line-of-sight,NLOS）使超越视域范围成像成为可能。文中依据成像机理的差异,将现有非视域成像技术分为三类:基于相干信息的方法、基于二维强度信息的方法和基于光子飞行时间的方法,详细分析了不同成像方法的原理及实现。同时将基于光子飞行时间的方法作为综述重点,在包含多类型目标和室内外场景的公共数据集中,定量比较了代表性方法的成像性能,并进一步设计搭建了阵列式非共焦瞬态成像装置,单曝光采集了真实场景中的非共焦瞬态图像,分析了典型非共焦成像方法在该成像架构下的重建能力。最后讨论了非视域成像技术的未来发展方向并展望了其应用前景。     

基于散斑相关的宽视场成像技术研究进展（特邀）

散射成像技术因具备透过生物组织等散射介质后清晰成像的能力而受到广泛关注。近年来,基于散斑自相关的成像方法以其非接触、无需先验信息且能够单帧成像的特点得到迅速发展。然而,散斑自相关成像受光学记忆效应的限制。当多个目标之间的距离在记忆效应范围之外时,基于散斑自相关的成像方法会导致目标自相关信息在相关域发生混叠,导致成像严重退化。文中在光学记忆效应及散斑自相关成像基本原理的基础上,首先介绍了基于散斑自相关和与散斑相关成像有关的其他散射成像技术。接着介绍了拓展光学记忆效应的主要技术及相关应用。最后总结了基于散斑相关的宽视场成像技术目前存在的问题,并对未来的发展应用进行了展望。     

浴帘效应的模型发展及应用扩展（特邀）

散斑（自）相关和波前调制等成像技术是克服非均匀介质散射影响的高效并重要的光学成像手段。而该类技术依赖于光学记忆效应,因此视场有限且动态介质会退化其成像质量。浴帘效应是一种常见且不受散射介质动态变化和视场限制的效应。近年来,随着多种计算成像技术的发展,浴帘效应也被融合到其他克服散射的成像恢复技术中并应用于不同散射成像场合,已经展现出相较传统散射成像技术的独特优势。文中概括浴帘效应的物理模型演变,从调制传递函数出发,综述光学厚度、孔径大小等因素对浴帘效应的影响,介绍浴帘效应和傅里叶域浴帘效应在散射成像领域的应用。讨论傅里叶域浴帘效应与其他基于相位迭代算法成像技术的区别与联系,展望其与其他计算成像技术结合的可能。     

基于弹道光子成像技术的柴油机近场喷雾研究

介绍了一种运用弹道光子成像技术对柴油机近场喷雾进行研究的实验方法,并对其弹道光子成像的原理做了简介,理论分析了弹道光子成像技术对属于混沌介质的喷雾场进行成像的过程。随后引用Idlahcen和Linne课题组的实验论证方法的可行性,通过分析其实验所得喷雾照片可知：弹道光子成像技术可以得到喷雾近场的图像;同时实验得到的数据表明,初次雾化的复杂性要高于经典的雾化理论;对不同韦伯数条件下的试验研究论证了大韦伯数利于喷雾的雾化这一结论;该成像技术还能对喷雾的速度场进行分析,对柴油机喷雾的研究具有重要的指导意义。     

基于微多普勒信息的弹道目标成像

弹道导弹识别是弹道防御系统中的核心问题之一，直接关系到导弹防御系统的成败。如果能对弹道目标成像，则能获得关于目标结构更为丰富的信息。由于弹道目标具有高速自旋的特点，因此基于转台模型的逆合成孔径雷达成像技术对高速自旋目标成像是失效的。针对该问题，详细分析了弹道目标回波模型，并研究了弹道目标时频图的调制规律，在此基础上，提出一种基于微多普勒信息的弹道目标成像方法，实现了对弹道目标二维强散射中心的重构，仿真数据处理结果证明了所提方法的有效性。     

全息技术在散射成像领域中的研究及应用进展（特邀）

散射是光学成像中普遍存在的现象,成像路径中存在的烟雾、水体、生物组织等散射介质导致光束发生随机散射效应,使得像面处目标信息以杂乱无章的散斑形式存在,如何应对散射介质对成像的限制是当前光学成像领域的研究热点。全息技术能够记录和重建物体全部信息,是获取和解译光场信息的有力工具之一。近年来,传统全息以及相关全息理论被推广应用至散射成像领域,取得了一系列突破性成果,文中主要介绍与归纳了散射成像领域中应用全息技术的理论原理、发展历史及最新进展,并展望其发展前景。     

计算光学成像系统测算提速方法综述（特邀）

为克服扫描计算成像系统测量和计算速度慢的缺点,综述一些快速计算成像技术,从测量和计算方面论述提高速度的方法。在基于光场调制的计算光学成像法中,介绍轴向扫描、横向扫描、多波长扫描、散射介质、多距离等调制方式。针对快速定量相位成像技术,介绍定量相位成像方法、基于Kramers-Kronig关系的快速定量相位成像方法、基于对角扩展采样的计算成像方法、基于对称照明的单帧计算成像方法。针对自动聚焦技术,介绍自动聚焦技术分类、核心算法、基于Tanimoto系数和多相梯度绝对值的自动聚焦方法、基于特征区域提取和细分搜索的快速自动聚焦方法。     

Time-of-Flight透散射介质成像技术综述

Time-of-Flight (ToF)成像是利用光在目标和相机之间的飞行时间来获取场景的深度信息,具有体积小、成本低、实时成像等优势。在散射环境中,由于散射介质对光的散射作用,ToF成像受到多径干扰的影响,深度测量误差较大,限制了ToF相机在散射场景中的应用。ToF透散射介质成像技术是校正因散射光引起的多径干扰效应,从传感器接收到的混叠信号中分离出目标分量,实现散射场景中的深度信息恢复,其在雾天自动驾驶、水下勘测、生物医学等领域具有广阔的应用前景。依据ToF成像系统的不同,详细介绍了PL-ToF和CW-ToF成像的基本原理,阐述和分析了散射场景中ToF稳态成像和瞬态成像的机理和特点,分别回顾和总结了ToF稳态成像和瞬态成像的透散射介质成像研究现状,并介绍了ToF透散射介质成像的应用前景,最后依据现有ToF透散射介质成像技术的优缺点,对未来发展趋势进行了展望。     

利用飞秒时间选通技术对埋藏在高散射介质中的物体进行成像

利用５０ｆｓ互相关时间选通门和锁相放大相结合，成功地实现了对埋藏在不同散射介质中的物体进行透射式成像。互相关时间选门有效地选出了携带物体信息的弹道光子和蛇行光子，排除了给成像带来背景噪声的漫射光子。锁相放大器的采用进一步滤掉噪声，提高了对较厚散射介质的成像能力。     

基于微透镜阵列的光场显微测量方法研究

与传统成像技术相比,光场成像技术能够利用光场中光线的传播方向信息,采用计算成像的方式极大地提高成像系统的景深。而传统的光学显微镜分辨率越高,景深越小。文章结合光场成像技术和传统光学显微镜,通过在显微镜一次像面插入微透镜阵列,提高显微镜景深,实现光场的显微三维测量。该系统通过单次曝光即可获得光场的四维光场信息,通过数字重聚焦技术和清晰度评价函数完成光场显微测量。实验结果表明,基于微透镜阵列的光场显微测量方法是可行的。测量系统以牺牲16倍横向分辨率为代价,将显微镜头景深提高了近100倍。     

基于相关全息原理的散射成像技术及其进展

由于随机散射效应,相干光束经过强散射介质后,出射光场变成光强呈无序分布的散斑场,因此无法直接从出射场获取入射光的信息。然而,在随机散射过程中,出射散斑场仍然携带着入射光场信息。从散斑场中获取原始信息以实现物体的重建是一个备受关注的研究课题。研究人员针对该问题提出了包括散斑相关、传输矩阵、波前调控及时间反演与相位共轭等技术。着重介绍了基于相关全息原理的散射成像技术,主要包括其原理、发展历史以及最新的研究进展,并对该技术的未来发展趋势进行了展望。     

利用消杂散光的偏振光技术提高光学读出红外成像检测灵敏度

在基于刀口滤波技术的光学读出的非制冷红外成像技术中,光学元件的反射会在CCD靶面引入杂光光斑,使得检测到的光强信号中FPA的像所占比例降低,因此降低了光学检测灵敏度。采用偏振光学读出系统,即在光路中添加偏振片、四分之一波片,利用对透过光和反射光的偏振方向有选择的偏振分光棱镜代替原有分光棱镜,用偏振光原理消除光路中光学元件的反射杂散光,使FPA像在CCD靶面接收到的光强中所占比例大幅度增加,进而提高光学检测灵敏度。偏振光路检测实验结果显示,检测灵敏度比非偏光实验提高了约47%,与理论分析值一致。     

基于水体退化函数补偿方法的水下傅里叶单像素成像

水下光学成像的探测环境相对复杂。前向散射、后向散射和吸收极大地降低了水下光学成像的成像质量。单像素成像因其较高的抗噪声性而被认为是一种适合于水下光学成像的技术。对于水下单像素成像系统,目前存在的问题是需要采用结构光进行照明,当散斑在水下传播时,前向散射会使预先生成的散斑发生畸变。因此,重建结果的分辨率降低,重建结果模糊不清。为了减小前向散射对单像素成像系统的影响,对傅里叶单像素成像的重建过程进行改进。在空间谱域傅里叶单像素成像系统的水下退化函数进行估计,然后根据估计的退化函数实现目标空间谱反演。最后利用傅里叶变换对反演后的目标空间谱进行变换,最终获得目标的强度图像。理论分析和实验结果证明了该方法的有效性。利用该方法,能够有效地减小前向散射对成像质量的影响,提高了水下傅里叶单像元成像的重建结果质量。     

基于高阶奇异值分解和深度学习的光场图像拼接方法

光场图像拼接旨在提高光场图像的视场角。考虑到光场数据包含较多冗余,且传统拼接方法对于低纹理场景的光场图像鲁棒性不足,本文提出一种基于高阶奇异值分解(high-order singular value decomposition, HOSVD)和深度学习的光场图像拼接方法。首先,通过光流估计和HOSVD对光场图像进行降维,得到所有视角下一致空间信息的主基和不同视角下高频信息的其他基带。其次,提出注意力增强的无监督单应性估计网络来提高图像的配准精度。最后,将扭曲后的参考基带和目标基带进行光场重建与图像融合,得到最终的拼接光场。实验结果表明,该方法在拼接光场的主客观质量和角度一致性方面表现出较好的性能。     

计算光学成像:何来，何处，何去，何从？

计算光学成像是一种通过联合优化光学系统和信号处理以实现特定成像功能与特性的新兴研究领域。它并不是光学成像和数字图像处理的简单补充,而是前端（物理域）的光学调控与后端（数字域）信息处理的有机结合,通过对照明、成像系统进行光学编码与数学建模,以计算重构的方式获取图像与信息。这种新型的成像方式将有望突破传统光学成像技术对光学系统以及探测器制造工艺、工作条件、功耗成本等因素的限制,使其在功能（相位、光谱、偏振、光场、相干度、折射率、三维形貌、景深延拓,模糊复原,数字重聚焦,改变观测视角）、性能（空间分辨、时间分辨、光谱分辨、信息维度与探测灵敏度）、可靠性、可维护性等方面获得显著提高。现阶段,计算光学成像已发展为一门集几何光学、信息光学、计算光学、现代信号处理等理论于一体的新兴交叉技术研究领域,成为光学成像领域的国际研究重点和热点,代表了先进光学成像技术的未来发展方向。国内外众多高校与科研院所投身其中,使该领域全面进入了“百花齐放,百家争鸣”的繁荣发展局面。作为本期《红外与激光工程》——南京理工大学专刊“计算光学成像技术”专栏的首篇论文,本文概括性地综述了计算光学成像领域的历史沿革、发展现状、并展望其未来发展方向与所依赖的核心赋能技术,以求抛砖引玉。