光學(xué)成像普遍存在“看不遠(yuǎn)”、“看不清”，受環(huán)境影響嚴(yán)重等問題；看清楚了視場又不夠，要“看得遠(yuǎn)、看得清”，光學(xué)系統(tǒng)的體積就會變得很龐大。如何解決這些矛盾，傳統(tǒng)成像已陷入了困境，于是，計算成像就成了21世紀(jì)光學(xué)成像領(lǐng)域的“那一片烏云”。

計算成像發(fā)展過程中面臨哪些問題

計算成像的初衷很好，就是將物理光學(xué)能夠有機地融入到幾何光學(xué)成像中，但是，隨著研究的深入，我們發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)代成像光學(xué)的理論大多是建立在線性模型的基礎(chǔ)上，傅里葉光學(xué)、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、傍軸光學(xué)等等無一例外都是線性模型，成像探測器是平面的，量化和采樣遵循奈奎斯特定律。當(dāng)我們習(xí)慣了線性模型的時候，大多數(shù)時候會認(rèn)為線性模型是天經(jīng)地義的，似乎不存在非線性模型這一說法。

熟悉圖像處理的人都有過這樣的經(jīng)歷，設(shè)計一種算法的時候都會用Lena、CameraMan等標(biāo)準(zhǔn)圖像去實驗，對比其他算法。但是，我們會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把這些方法運用到實拍圖像時卻效果一般，甚至很差。于是，很多人都回避這樣的問題，只展現(xiàn)出“最好”的那一組結(jié)果，證明算法的有效性。其實，導(dǎo)致這一結(jié)果的原因是這些標(biāo)準(zhǔn)圖像都是在很大幅面的圖像中選取了線性度最好的一部分，于是，這些算法應(yīng)用到線性度很好的圖像確實會有很好的結(jié)果，但是，應(yīng)用到實拍的整幅圖像中效果不佳，恰恰告訴我們：線性是一種美好的愿望，假設(shè)而已。

其實，這樣的例子很多，比如在透過散射介質(zhì)成像中非常有名的“光學(xué)記憶效應(yīng)”，其實也是一種線性近似。

于是我們發(fā)現(xiàn)，我們賴以“干活”的工具原來都是線性的，也就是說現(xiàn)代光電成像的理論模型都是線性的，只適用于線性條件。當(dāng)我們對成像提出更高要求時，線性模型無能為力了，我們干不了活了。

那么，計算光學(xué)成像在發(fā)展過程中到底面臨哪些問題？

首先是計算成像的理論模型問題，其次是信息在成像過程中的傳遞以及對信息的度量問題，然后是光場在成像全鏈路中的變化過程，直至全光場信息經(jīng)由探測器投影后信息如何重建。

計算成像有哪些種

維基百科對計算成像的描述是：凡是在成像過程中引入計算的都屬于計算成像，從這個描述可以看出，幾乎所有的光電成像都可以納入到計算成像的范疇，甚至圖像處理在廣義上也可以認(rèn)為是計算成像。

我們可以從很多維度上對計算成像技術(shù)進行分類，之前我在“計算成像內(nèi)涵與體系”一文中對計算成像的體系做了詳細(xì)的分析，從應(yīng)用和成像鏈路兩個維度做了分類。

首先，在應(yīng)用維度上，我們可以從“更高、更遠(yuǎn)、更廣、更小、更強”進行分類，這種分法有助于對計算成像的應(yīng)用進行推廣。

然后，在學(xué)術(shù)維度上，可行的方法是在光電成像的鏈路上進行分類：計算照明、計算介質(zhì)、計算光學(xué)系統(tǒng)、計算探測器和計算信號處理。在這個維度上，我們很容易地從成像全鏈路上分析全光場發(fā)生變化的情況，從而做全局的最優(yōu)化設(shè)計；也比較容易地從局部引入物理光學(xué)相關(guān)信息，突破幾何光學(xué)的限制。

舉一個“計算光學(xué)系統(tǒng)”的例子，傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)是建立在幾何光學(xué)的基礎(chǔ)上的，像差和調(diào)制傳遞函數(shù)是約束光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的主要因素，我們所見到的高級鏡頭多是又重又大又貴，想縮小體積是很難的。手機攝影的發(fā)展促使著光學(xué)系統(tǒng)必須要做小，但傳統(tǒng)的方法很難實現(xiàn)。近幾年，出現(xiàn)了很多基于超表面、微納光學(xué)技術(shù)的新型光學(xué)系統(tǒng)，超薄、超小、超輕是它們的標(biāo)簽，但光譜窄、透過率低、成像質(zhì)量差也是它們的特點。其實，我們可以從光場信息的傳遞上來分析這些問題，也可以在傳統(tǒng)光學(xué)的基礎(chǔ)上加上新的技術(shù)進行平衡設(shè)計，達到更優(yōu)化的結(jié)果。

計算成像發(fā)展的現(xiàn)狀怎么樣

計算成像的發(fā)展很快，熱度很高，新技術(shù)也層出不窮。我在“計算成像技術(shù)與應(yīng)用最新進展”一文中對計算成像的發(fā)展有一些描述，具體可以參閱。

從“計算成像技術(shù)與應(yīng)用研討會”和“國際計算成像技術(shù)”兩個會議參會人員來看，參會的人數(shù)很多，涉及的領(lǐng)域也很多：散射成像、超分辨率成像、生物醫(yī)學(xué)成像、光譜成像、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、微納光學(xué)等等。