近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所信息光學(xué)與光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)室和量子光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作，提出一種基于物理模型與數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的智能計(jì)算成像方法，相關(guān)研究成果發(fā)表于《光子學(xué)研究》(Photonics Research)。

計(jì)算光學(xué)成像的研究主要集中在對(duì)編碼方式和解碼算法的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)方法使用光學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)光信號(hào)的編碼采集系統(tǒng)（正向物理模型），然后使用模型驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化算法求解逆問(wèn)題實(shí)現(xiàn)解碼重構(gòu)。近幾年發(fā)展起來(lái)的智能計(jì)算光學(xué)成像技術(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式，對(duì)正向編碼模式和逆向解碼算法進(jìn)行智能設(shè)計(jì)，極大的降低了成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，但存在數(shù)據(jù)獲取困難、泛化性及可解釋性差等問(wèn)題。課題組此前使用模型驅(qū)動(dòng)的方式優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，無(wú)需訓(xùn)練數(shù)據(jù)，具有普適性和可解釋性，但未充分利用大數(shù)據(jù)中的先驗(yàn)信息。

研究團(tuán)隊(duì)提出一種基于物理模型和訓(xùn)練數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的智能計(jì)算成像方法，并成功在單像素成像中完成了室內(nèi)和外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先使用數(shù)據(jù)對(duì)編碼掩膜和解碼網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，而解碼網(wǎng)絡(luò)因泛化性問(wèn)題造成的圖像偽影則通過(guò)模型驅(qū)動(dòng)的方法消除。在單像素成像的研究中，采樣比僅為6.25%時(shí)，獲得了高信噪比的成像結(jié)果，并完成了公里級(jí)的外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，有望實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三維成像。

圖1. 物理模型與數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的智能單像素成像方法示意圖。（a）使用數(shù)據(jù)對(duì)嵌入物理解碼層的自編碼器中的編碼掩膜和解碼算法進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化；（b）單像素成像實(shí)驗(yàn)裝置圖；（c）使用物理模型結(jié)合實(shí)測(cè)信號(hào)對(duì)訓(xùn)練所得網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行微調(diào)。

圖2. 聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的智能單像素成像仿真（a）室內(nèi)（b）外場(chǎng)（c）實(shí)驗(yàn)結(jié)果。