計(jì)算光學(xué)成像是下一代光電成像技術(shù)，是光電成像技術(shù)步入信息時(shí)代的必然產(chǎn)物，其本質(zhì)是光場(chǎng)信息的獲取和解譯，是在幾何光學(xué)成像的基礎(chǔ)上有機(jī)引入物理光學(xué)信息，以信息傳遞為準(zhǔn)則，通過(guò)信息獲取更高維度的信息。計(jì)算光學(xué)可以理解為信息編碼的光學(xué)成像方法。

什么是計(jì)算光學(xué)成像？

光電成像的本質(zhì)是光場(chǎng)信息的獲取與解譯，這里的光場(chǎng)是指光的強(qiáng)度、偏振、光譜、相位等物理量在空間中的分布，與光場(chǎng)相機(jī)描述的那個(gè)光場(chǎng)不同，那是一個(gè)純幾何光學(xué)描述的強(qiáng)度分布信息。

傳統(tǒng)光電成像是建立在幾何光學(xué)的基礎(chǔ)上，光場(chǎng)信息的獲取是記錄了二維的空間面上光強(qiáng)度分布，與人眼視覺(jué)相似，所見(jiàn)即所得，一般沒(méi)有光場(chǎng)解譯的過(guò)程。但是，我們應(yīng)該能意識(shí)到，進(jìn)入到成像系統(tǒng)的信息實(shí)際上多于我們所見(jiàn)的圖像，這也就意味著有部分信息其實(shí)是可以進(jìn)行解譯的。

計(jì)算光學(xué)成像本質(zhì)上是下一代光電成像技術(shù)，是光電成像技術(shù)在信息時(shí)代發(fā)展的必然。我們可以做如下定義：計(jì)算光學(xué)成像在傳統(tǒng)幾何光學(xué)的基礎(chǔ)上，有機(jī)融入了物理光學(xué)的信息，如偏振、相位、軌道角動(dòng)量等物理量，以信息傳遞為準(zhǔn)則，多維度獲取光場(chǎng)信息，并結(jié)合數(shù)學(xué)和信號(hào)處理知識(shí)，深度挖掘光場(chǎng)信息，通過(guò)物理過(guò)程解譯獲取更高維度的信息。

為什么叫計(jì)算成像？計(jì)算光學(xué)成像最早的叫法是“Computational Photography”，是由Computer Science的學(xué)者命名的，中文多翻譯為“計(jì)算攝影”，包括“光場(chǎng)相機(jī)”，都不是光學(xué)專家提的。在這里，我們要感謝計(jì)算機(jī)信息領(lǐng)域的學(xué)者，他們走在光學(xué)的學(xué)者前面。隨著壓縮感知和計(jì)算成像技術(shù)的快速發(fā)展，更多的光學(xué)專家也開始關(guān)注在傳統(tǒng)的光電成像中加入光學(xué)編碼，然后進(jìn)行解碼，從而獲得景深等信息，他們認(rèn)為成像就是“Imaging”，所以，更多人開始接受以“Computational Imaging”替代“Computational Photography”。實(shí)際上，這是一回事。逐漸地，越來(lái)越多不同領(lǐng)域的科學(xué)家開始從不同的視角去看計(jì)算成像，于是，從事計(jì)算成像的人越來(lái)越多，成為了研究熱點(diǎn)。

特別要注意，“計(jì)算成像”這個(gè)詞是由Computer Science的研究人員最先提出來(lái)的，這里的“計(jì)算”不僅僅是信號(hào)處理的計(jì)算，其實(shí)我們應(yīng)該理解為“編解碼”（Coding/Decoding），光學(xué)的編碼有很多種方式：孔徑編碼、波前編碼、探測(cè)器編碼等等，所以，計(jì)算光學(xué)成像可以理解為信息編碼的光學(xué)成像方法。

我們通常指的計(jì)算成像，其實(shí)就是計(jì)算光學(xué)成像。

為何要發(fā)展計(jì)算成像？

幾何光學(xué)給我們帶來(lái)了很大的便利，系統(tǒng)簡(jiǎn)單易用，工業(yè)化體系完備；但是，我們也看到了幾何光學(xué)存在的物理限制，在測(cè)距、視覺(jué)測(cè)量等方面受限因素頗多，一般能達(dá)到的精度為10^-2至10^-3數(shù)量級(jí)，難以實(shí)現(xiàn)10^-5到10^-6這樣數(shù)量級(jí)精度的跨越。我們知道，激光測(cè)距可以達(dá)到10^-6這樣數(shù)量級(jí)的精度，原因就是在模型中進(jìn)入了相位測(cè)量，屬于典型的物理光學(xué)應(yīng)用。

那么，如果能將物理光學(xué)引入到成像模型中，通過(guò)信息編碼/解譯獲得超越幾何光學(xué)成像的極限，這便是計(jì)算成像。我們期望計(jì)算成像技術(shù)能夠突破傳統(tǒng)光電成像的極限，通過(guò)信息賦能方式，步入信息時(shí)代。

我在很多次報(bào)告和文章中提到，光學(xué)成像朝著“更高、更遠(yuǎn)、更廣、更小、更強(qiáng)”發(fā)展，即更高的分辨率、更遠(yuǎn)的作用距離、更廣的視場(chǎng)、更小的光學(xué)成像體系、更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。具體的，可以查閱“計(jì)算成像技術(shù)與應(yīng)用最新進(jìn)展”和“計(jì)算成像內(nèi)涵與體系”等論文，在此不贅述。