0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看威廉希尔官方网站 视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

计算光学成像威廉希尔官方网站 的基本概念、内涵和优势

中科院半导体所 来源:光电汇OESHOW 作者:王飞,司徒国海 2022-11-17 11:23 次阅读

Part.1、引言

人类感知客观世界的信息,有90%来源于视觉,而光学成像威廉希尔官方网站 的发展则大大扩展了人类的视觉能力,使之能上观百亿光年之外的天体运行、下察比头发丝直径还小万倍的分子结构。事实上,只要大家看看自己的智能手机,就能意识到光学成像威廉希尔官方网站 与我们工作生活相关的密切程度。计算光学成像是光学成像与最优化算法人工智能信息论等多学科交叉研究方向,吸引着越来越多学术和工业界人员的兴趣。但我们在与同行交流的过程中,也发现有不少人认为这是数字图像处理威廉希尔官方网站 。为了澄清这些误解,本文将简单介绍计算光学成像威廉希尔官方网站 的基本概念、内涵和优势。

Part.2、计算光学成像

计算光学成像,顾名思义,是把“计算”融入到光学图像形成过程中任何一个或者多个环节的一类新型的成像威廉希尔官方网站 或系统。光学图像的形成与场景/物体的照明模式、系统的光学传递函数、像感器的采样三个因素息息相关。计算通常以编码的形式体现在这三个环节当中,对系统的物面、光瞳面和像面(或其共轭面)上的光场进行编码调制,形成编码照明、编码孔径、编码像感(图1)。

cd4be7ae-65a1-11ed-8abf-dac502259ad0.png

图1. 传统光学成像(a)与计算光学成像(b)的对比示意图

硬件上,这些编码通常可以专门制作编码板(如微透镜阵列、微偏振片阵列)或者更灵活的可编程控制的空间光调制器(如DMD、LCOS、MEMSLED阵列),甚至利用光波本身的物理属性(如衍射、相干叠加)来实现;在功能上,编码调制可以作用于光场的光强、相位、偏振、光谱等要素。显然,这些编码器件和函数的引入会导致几何光学意义下光学成像系统“点到点”物像关系不再满足。也即是说,在像感器上所成的像并非“所见即所得”的几何光学像,而是经过“编码”后的光强分布,因而需要用适当的数学算法来“计算重建”场景/物体的图像。因此,计算光学成像系统的设计需要根据具体的成像任务在光学和算法两方面进行联合优化。而数字图像处理威廉希尔官方网站 仅对传统光学成像系统获取到的图像进行后处理(如去噪、像素超分、背景虚化)以获得更好的视觉效果。

Part.3、计算光学成像的威廉希尔官方网站 优势

通过光学与算法的联合优化设计,计算光学成像威廉希尔官方网站 的优势是全方位的(图2)。根据具体的成像任务,计算光学成像威廉希尔官方网站 能扩展成像要素,对光场的相位/传播方向、相空间、偏振态、光谱、时间等参量进行成像;也能提升成像性能,可实现分辨率、视场、景深和动态范围的提升;也能通过去除透镜等方式简化成像系统;甚至在低光照、强散射、存在遮挡物等传统光学成像威廉希尔官方网站 难以应对的环境里,都能获得出色的表现。

cd6c8a9a-65a1-11ed-8abf-dac502259ad0.png

图2. 计算光学成像威廉希尔官方网站 的优势列表

Part.4、计算光学成像中的逆问题及算法

如前所述,因为编码的引入,像感器探测的结果往往不是“所见即所得”的,因而要使用算法从编码探测光强计算重建出物体的图像。实际上,编码探测过程即正向过程可以简单描述为:

cd899d38-65a1-11ed-8abf-dac502259ad0.png

其中,x表示待测物体,H(・)表示整个成像系统的编码探测过程(包含各类噪声),y为实际探测结果。使用算法重构图像即通过逆向过程实现cd9ce21c-65a1-11ed-8abf-dac502259ad0.png的推理,这是一个典型的逆问题。

由于探测过程不可避免的存在信息丢失,上述逆问题往往是病态的,这将导致解的不唯一性,即直接根据y无法唯一确定一个x。

常见的逆问题求解算法可分为以下四类:

1、基于模型的方法

当成像的模型已知时,可以用这类算法来求解。其核心思路是:通过迭代优化的方式,寻找同时满足探测信号约束和物体先验约束的结果。其数学表达式为:

cdaf4c5e-65a1-11ed-8abf-dac502259ad0.png

由于逆问题的病态性,满足探测信号约束

cdbf03a6-65a1-11ed-8abf-dac502259ad0.png

(也称为数据拟合项)的结果有很多,通过手动设计正则项cdd3e1f4-65a1-11ed-8abf-dac502259ad0.png引入诸如稀疏、平滑、支持域等先验约束,可以从众多可行解中挑选“最优解”[2]。最小二乘法、压缩感知算法等都属于此类方法。

2、数据驱动方法

当成像的模型难以建立时,可以利用多层神经网络Rθ从大量数据中学习丰富的隐式先验信息,然后利用所得参数模型完成y到x的映射,即cde7ab9e-65a1-11ed-8abf-dac502259ad0.png。该方法能够解决传统优化算法无法解决的一些极端环境成像问题(如强散射、极弱光),而且这种方法还是非迭代的,能够实现实时成像[3]。但是,该方法也面临数据获取困难、泛化性及可解释性差等问题。

3、数据和模型联合驱动的方法

当成像的模型已知时,可将其融入深度学习算法中,从而联合使用物理先验和数据先验。一些联合驱动方法将数据预训练网络作为模型驱动优化算法的正则项,包括基于生成网络引入数据分布先验(仅在该分布下迭代寻优)、基于去噪网络对迭代搜索结果进行约束等;也可直接使用模型对数据预训练网络进行微调,此时网络可快速输出重构结果,若其中出现伪影,再通过模型驱动的方式微调网络参数,兼顾数据驱动方法的时效性和模型驱动优化算法的普适性[4]。这类方法通过协同使用模型与数据,有望解决传统模型驱动与数据驱动方法的瓶颈问题,从而促进计算光学成像威廉希尔官方网站 的实际应用。

4、光学神经网络方法

此前介绍的重构算法都是对数字信号进行处理,而基于光学重构的方法可直接处理interwetten与威廉的赔率体系 信号。该方法首先通过数字计算获得用于处理模拟信号的光学模型(如光神经网络),然后定制加工实体,再将其置于成像系统中处理光信号,从而获得成像结果。这种基于先数字设计再光学处理的方法将图像重构速度提升至光速,且在重构过程不需要使用计算机,具有低功耗的特点[5]。

Part.5、若干典型的计算光学成像威廉希尔官方网站

下面,我们将列举若干典型的计算光学成像威廉希尔官方网站 。

1、透过散射介质成像

传统成像利用透镜将物点发出的光再次汇聚为像点,然而当成像路径上存在云、雾、烟、尘、霾、生物组织等随机散射介质时,由于光波前因散射而扰乱,传统的光学成像方法难以应对。计算光学成像威廉希尔官方网站 为解决这一难题提供了若干新思路,可以通过波前编码、数字全息、散斑的记忆效应、深度学习等方法实现透过散射介质成像(图3)。

cdfee110-65a1-11ed-8abf-dac502259ad0.png

图3.透过散射介质成像的若干典型方法[6]

2、三维成像

我们生活在三维世界中,而传统成像会将场景中不同深度的图像耦合到一幅二维平面图像中,丢失了物体距离观测面的距离即深度信息(图4)。三维成像威廉希尔官方网站 通过设计主动(如结构光照明、激光雷达等)或被动(如双目视觉、编码孔径)的编码方式,使得位于不同深度的物体具有不同的强度响应,从而实现深度信息的获取。该威廉希尔官方网站 在自动驾驶、遥感等领域具有广泛的应用前景。

3、多光谱成像

物质在不同波段下的响应能够很好的表征其属性,就像指纹一样。传统彩色相机只能获得几个谱段耦合的图像,因而无法准确获得物质的光谱特征。传统光谱仪需要进行逐点扫描,其信息获取效率受到了极大地限制。光谱成像威廉希尔官方网站 通过棱镜分光和孔径编码,对不同波段的信息进行编码,然后利用重构算法解算不同光谱通道的结构信息,能够通过单次曝光就能实现多谱段图像重建。

ce5b7614-65a1-11ed-8abf-dac502259ad0.png

图5. RGB图像与多光谱图像[8]

4、无透镜成像

透镜是传统成像系统中的基本元件,是导致单反相机笨重且昂贵、手机摄像头凸起的“罪魁祸首”。无透镜成像威廉希尔官方网站 通过使用非常规“透镜”(也可直接空间自由传播),如菲涅尔波带片、优化设计的透明薄片等,结合重构算法,实现(逼近)复杂透镜组方能实现的成像效果。该威廉希尔官方网站 能够大幅减少系统的空间体积和重量,对于实现商业产品的轻薄化具有重要意义。

5、单像素成像

传统成像使用千万像素的面阵像感器对光场强度进行采样,此时携带物体信息的光被分到众多像素单元,为保证成像质量,往往需要保证较高的光照度。此外,由于工艺的限制,在一些特殊波段如X-ray、THz,人们难以制备高像素分辨的面阵像感器。单像素成像通过使用DMD、SLM、LED、旋转的毛玻璃等调制器件实现多次二维空间图像信息编码,并使用仅具有单个像素的探测器获得一维时序光强涨落信号,然后利用算法重构获得二维图像。由于所有光子都被一个像素收集且单个像素的探测器容易制备,单像素成像具有探测灵敏度高、适用于特殊波段成像的优势。

cee9f592-65a1-11ed-8abf-dac502259ad0.png

图7. 面阵探测与单像素探测[10]

Part.6、结束语

计算光学成像新机制、新算法、新问题不断涌现,已然成为光学工程领域的一个热门研究方向。国内外从事相关研究的科研工作者越来越多,也正是在整个领域的推动下,该方向正在逐步迈入实用化、智能化的发展阶段。本文仅能如蜻蜓点水般交代其基本概念和内涵,感兴趣的读者可以阅读最近出版的一些中外文献[3, 11,12],以获得对具体的专题更深入的了解。我们也相信在不久的将来,计算光学成像威廉希尔官方网站 将在光信息感知问题中广泛应用,并为科研、医疗、安防、工业、交通等领域带来新的机遇。

审核编辑:郭婷

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 人工智能
    +关注

    关注

    1791

    文章

    47208

    浏览量

    238294
  • 调制器
    +关注

    关注

    3

    文章

    840

    浏览量

    45143
  • 成像系统
    +关注

    关注

    2

    文章

    195

    浏览量

    13925

原文标题:计算光学成像威廉希尔官方网站 浅谈

文章出处:【微信号:bdtdsj,微信公众号:中科院半导体所】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    次声波在声学成像中的应用

    学成像是一种利用声波进行物体成像威廉希尔官方网站 ,它在医学、工业检测、环境监测等领域有着广泛的应用。传统的声学成像威廉希尔官方网站 主要依赖于人耳可听范围的声波(
    的头像 发表于 12-11 15:36 179次阅读

    光学成像新进展:使用部分相干光进行单向成像

    具有部分相干照明的单向衍射成像概念图 来自加州大学洛杉矶分校(UCLA)的一个研究小组公布了光学成像威廉希尔官方网站 的一项新进展,该威廉希尔官方网站 可显著增强视觉
    的头像 发表于 11-26 06:20 91次阅读
    <b class='flag-5'>光学成像</b>新进展:使用部分相干光进行单向<b class='flag-5'>成像</b>

    光学成像的关键威廉希尔官方网站 和工艺

    实现。 光谱成像 光谱成像威廉希尔官方网站 可捕捉材料的光谱信息进行化学分析。 例如,拉曼光谱利用激光与分子振动的相互作用来揭示化学特性。它对于识别化合物和分析材料,包括监测手术环境中的麻醉气体混合物至关重要。 医
    的头像 发表于 11-01 06:25 186次阅读
    <b class='flag-5'>光学成像</b>的关键<b class='flag-5'>威廉希尔官方网站
</b>和工艺

    成像距离和焦距关系是什么

    成像距离和焦距是光学成像系统中两个非常重要的概念,它们之间存在着密切的关系。 1. 焦距的定义 焦距(Focal Length)是指从透镜的光学中心到
    的头像 发表于 10-14 09:45 1135次阅读

    如何使用精密放大器改善医学成像

    电子发烧友网站提供《如何使用精密放大器改善医学成像.pdf》资料免费下载
    发表于 09-27 11:27 0次下载
    如何使用精密放大器改善医<b class='flag-5'>学成像</b>

    DDR4的基本概念和特性

    里程碑。自2011年面世以来,DDR4凭借其显著的性能提升和能效优化,迅速成为市场主流。以下将从DDR4的基本概念威廉希尔官方网站 特性、性能优势以及市场应用等方面进行详细阐述。
    的头像 发表于 09-04 11:43 1917次阅读

    什么是散射成像威廉希尔官方网站 ?

    近年来,计算机威廉希尔官方网站 的飞速发展、介观物理研究的深入、计算成像思想的完善和图像处理威廉希尔官方网站 的发展,促进了以物理机制为基础的计算
    的头像 发表于 08-23 06:25 239次阅读
    什么是散射<b class='flag-5'>成像</b><b class='flag-5'>威廉希尔官方网站
</b>?

    一种新型全光学复合场成像

    加州大学洛杉矶分校(UCLA)的研究人员在光学成像威廉希尔官方网站 领域取得了一个重要的里程碑。他们开发出了一种新型全光学复合场成像仪,无需数字处理就能捕捉光场的振幅和相位信息。 这项创新有望给生物
    的头像 发表于 08-06 06:24 203次阅读
    一种新型全<b class='flag-5'>光学</b>复合场<b class='flag-5'>成像</b>仪

    LLM预训练的基本概念、基本原理和主要优势

    理解和生成自然语言的能力,为各种NLP任务提供了强大的支持。本文将详细介绍LLM预训练的基本概念、基本原理以及主要优势,并附上相关的代码示例。
    的头像 发表于 07-10 11:03 1064次阅读

    串口通信的基本概念

    串口通信(Serial Communications)的基本概念可以归纳为以下几个方面:
    的头像 发表于 06-12 09:28 610次阅读
    串口通信的<b class='flag-5'>基本概念</b>

    深圳中科飞测科技股份有限公司荣获“一种光学成像装置”专利

    此项发明提供了一种光学成像装置,能够获取物镜瞳孔的共轭瞳孔,并将物镜瞳孔与待检物体进行成像,进而通过物镜瞳孔的影像,在共轭瞳孔处对物镜瞳孔进行空间滤波。具体实现方式如下:首先,将物镜、中继镜、第一成像组件及第一拍摄设备共轴设置
    的头像 发表于 05-10 10:16 354次阅读
    深圳中科飞测科技股份有限公司荣获“一种<b class='flag-5'>光学成像</b>装置”专利

    浅谈超分辨光学成像

    分辨光学定义及应用 分辨光学成像特指分辨率打破了光学显微镜分辨率极限(200nm)的显微镜,威廉希尔官方网站 原理主要有受激发射损耗显微镜威廉希尔官方网站 和光激活定位
    的头像 发表于 03-15 06:35 568次阅读
    浅谈超分辨<b class='flag-5'>光学成像</b>

    基于光子纠缠的自适应光学成像威廉希尔官方网站 应用

    对引导星的依赖给显微镜成像细胞和组织等不含亮点的样本带来了问题。科学家们利用图像处理算法开发了无引导星的自适应光学系统,但这些系统可能会因结构复杂的样本而失效。
    发表于 03-11 11:29 452次阅读
    基于光子纠缠的自适应<b class='flag-5'>光学成像</b><b class='flag-5'>威廉希尔官方网站
</b>应用

    一种基于扩散模型的傅里叶单像素成像高分辨率迭代重建方法

    傅里叶单像素成像(FSPI)是一种基于傅里叶分析理论的计算光学成像威廉希尔官方网站
    的头像 发表于 01-24 09:43 1120次阅读
    一种基于扩散模型的傅里叶单像素<b class='flag-5'>成像</b>高分辨率迭代重建方法

    威廉希尔官方网站 :使用超光学器件进行热成像

    研究人员开发出一种新威廉希尔官方网站 ,该威廉希尔官方网站 使用超光学器件进行热成像。能够提供有关成像物体的更丰富信息,可以拓宽热
    发表于 01-16 11:43 637次阅读