達(dá)摩院發(fā)布2023十da科技趨勢，計算光學(xué)成像將帶來更具創(chuàng)造力和想象力的應(yīng)用

日前，阿里達(dá)摩院發(fā)布了2023十da科技趨勢，生成式AI、Chiplet模塊化設(shè)計封裝、全新云計算體系架構(gòu)等技術(shù)入選。達(dá)摩院認(rèn)為，全qiu科技日趨顯現(xiàn)出交叉融合發(fā)展的新態(tài)勢，尤其在信息與通信技術(shù)（ICT）領(lǐng)域醞釀的新裂變，將為科技產(chǎn)業(yè)革新注入動力。

其中，計算光學(xué)成像是一個新興多學(xué)科交叉領(lǐng)域。它以具體應(yīng)用任務(wù)為準(zhǔn)則，通過多維度獲取或編碼光場信息（如角度、偏振、相位等），為傳感器設(shè)計遠(yuǎn)超人眼的感知新范式；同時，結(jié)合數(shù)學(xué)和信號處理知識，深度挖掘光場信息，突破傳統(tǒng)光學(xué)成像極限。目前，計算光學(xué)成像處于高速發(fā)展階段，已取得許多令人振奮的研究成果，并在手機(jī)攝像、醫(yī)療、無人駕駛等領(lǐng)域開始規(guī)模化應(yīng)用。未來，計算光學(xué)成像有望進(jìn)一步dian覆傳統(tǒng)成像體系，帶來更具創(chuàng)造力和想象力的應(yīng)用，如無透鏡成像、非視域成像等。

傳統(tǒng)光學(xué)成像建立在幾何光學(xué)基礎(chǔ)上，借鑒人眼視覺“所見即所得”的原理，而忽略了諸多光學(xué)高維信息。當(dāng)前傳統(tǒng)光學(xué)成像在硬件功能、成像性能方面接近物理極限，在眾多領(lǐng)域已無法滿足應(yīng)用需求。例如 ，在手機(jī)攝影領(lǐng)域，無法在保證成像效果的同時縮小器件重量和體積，出現(xiàn)令人詬病的“前劉?！焙汀昂笤“浴钡那闆r；在顯微成像領(lǐng)域，無法同時滿足寬視場和高分辨率的需求；在監(jiān)控遙感領(lǐng)域，難以在光線較暗、能見度較低的復(fù)雜環(huán)境中獲得清晰圖像。

隨著傳感器、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)的不斷演進(jìn)，新型解決方案逐步浮出水面——計算光學(xué)成像。計算光學(xué)成像以具體應(yīng)用任務(wù)為準(zhǔn)則，通過多維度獲取或編碼光場信息（如角度、偏振、相位等），為傳感器設(shè)計遠(yuǎn)超人眼的感知新范式；同時，結(jié)合數(shù)學(xué)和信號處理知識，深度挖掘光場信息，突破傳統(tǒng)光學(xué)成像極限（如圖1所示）。

圖1.傳統(tǒng)光學(xué)成像（左）和計算光學(xué)成像（右）

計算光學(xué)成像是一個新興多學(xué)科交叉領(lǐng)域,早期概念在上個世紀(jì)70年代中期才逐步形成。隨著信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，計算光學(xué)成像已成為國際研究熱點。由于計算光學(xué)成像研究內(nèi)容覆蓋范圍廣，目前還沒有一個比較明確的分類方法。按照計算成像技術(shù)所解決的應(yīng)用問題來分類，可以大致分為以下三類：

（1）功能提升：對傳統(tǒng)方式無法獲取的光學(xué)信息，如光場、偏振、相干度等進(jìn)行成像或測量；

（2）性能提升：即提升現(xiàn)有成像技術(shù)的性能指標(biāo)，如空間分辨率、時間分辨率、景深、復(fù)雜環(huán)境魯棒性等；

（3）簡化與智能化：通過單像素、無透鏡等特定技術(shù)簡化成像系統(tǒng)，或者以光速實現(xiàn)特定人工智能任務(wù)（如圖2所示）。

圖2.計算光學(xué)成像技術(shù)分類

計算光學(xué)成像技術(shù)現(xiàn)處于高速發(fā)展階段，還需克服諸多挑戰(zhàn)：首先，需以傳感器為中心重新設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)；其次，由于需要獲取多維度光學(xué)信息，需引入新型光學(xué)器件和光場調(diào)控機(jī)制，隨之而來的是更多的硬件成本和研發(fā)/調(diào)試時間成本；再次，為了使計算成像硬件和軟件有更好的協(xié)同，則需重新開發(fā)算法工具；最后，對算力要求非常高，對應(yīng)用設(shè)備芯片及其適配性提出更高要求。

計算光學(xué)成像雖然是一個新興技術(shù)，但已取得了很多令人振奮的研究成果（2014諾貝爾獎——超分辨熒光顯微成像、2017年諾貝爾獎——冷凍電鏡），并在手機(jī)攝像、醫(yī)療、監(jiān)控、工業(yè)檢測、無人駕駛等領(lǐng)域開始規(guī)?；瘧?yīng)用。如在手機(jī)攝像領(lǐng)域，主流手機(jī)廠商均初步融入了計算光學(xué)成像思路，從比拼硬件光學(xué)，轉(zhuǎn)而追求硬件加算法的協(xié)同；目前手機(jī)攝像在相當(dāng)一部分場景的拍攝效果達(dá)到、甚至超過一般單反相機(jī)。

未來，計算光學(xué)成像將進(jìn)一步dian覆傳統(tǒng)成像體系，帶來更具創(chuàng)造力和想象力的應(yīng)用。元成像芯片可實現(xiàn)大范圍無像差三維感知，有望ce底解決手機(jī)后置攝像頭突出的問題。無透鏡成像（FlatCam）能夠簡化傳統(tǒng)基于透鏡的相機(jī)成像系統(tǒng)，進(jìn)一步減小成像系統(tǒng)體積并有望用于各類可穿戴設(shè)備。此外，利用偏振成像技術(shù)能夠透過可見度不高的介質(zhì)清晰成像，實現(xiàn)穿云透霧。還有非視域成像，能夠通過記錄并解析光傳播的高速過程來對非視域下目標(biāo)進(jìn)行有效探測，實現(xiàn)隔墻而視，在fan恐偵察、醫(yī)療檢測等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。

附：達(dá)摩院預(yù)測2023十da科技趨勢

（文章來源：摘自達(dá)摩院2023十da科技趨勢發(fā)布）