光与自然世界的关系是光学的永恒话题,多维度、多角度、多尺度贯穿着光学研究发展的整个历程。两千五百年前《墨经》的“光学八条”鸿蒙初辟,１９世纪上半叶光信息得以保存,正式开启了光学研究的序幕。不断发展的成像设备、更加先进的处理方法帮助人类留住自然世界稍纵即逝的光影信息;多学科交叉融合拓展了光学研究的维度,多角度的光路信息、多维度的光谱信息、空间与时间维度的叠加,为人类重现和理解自然世界提供了更加科学的方法,计算机视觉、图形学、机器学习与之相辅相成;在认识和研究自然光的同时,人类具备了指导光传播、重建光模态、编码光信息的能力,突破传统光学成像模型,提炼出有效光学信息,被动认识和主动改造相得益彰;时至今日,光学研究已经从宏观的七维全光函数跃迁至量子层次,以光的最小单位———光子作为主要研究对象,以期为生命科学、生物医学助力,推动人类回归本源,探索生命的奥秘。

光场为三维世界中光线集合的完备表示。通过记录更高维度的光线数据,光场能够准确感知周围复杂多变的动态环境,支撑智能系统对环境的理解与决策。计算光场成像技术围绕光场及全光函数表示,旨在结合计算、数字传感器、光学系统和智能光照等技术,以及硬件设计、软件计算能力,突破经典成像模型和数字相机的局限性,建立光在空域、视角、光谱和时域等多个维度的关系,实现耦合感知、解耦重建与智能处理,具备面向大范围动态场景的多维多尺度成像能力。光场成像技术正逐渐被应用于生命科学、工业探测、****、无人系统和虚拟现实/增强现实等领域,具有重要的学术研究价值和广阔的产业应用前景。然而,伴随着高维数据的离散化采样,光场成像面临空间分辨率与视角分辨率的维度权衡挑战,如何对稀疏化的采样数据进行光场重建成为计算光场成像及其应用的基础难题。与此同时,受制于光场信号的高维数据感知量,光场处理面临有效数据感知与计算高效性的矛盾。如何用光场这一高维信息采集手段,取代传统二维成像视觉感知方法,并结合智能信息处理技术实现智能化高效感知,是实现光场成像技术产业化应用的巨大挑战。对过去20年来计算光场成像装置与算法的研究进行概述和讨论,内容涵盖光场表示和理论、光场信号采集、空间与视角维度重建等。

单像素成像旨在通过单个感光元件记录目标场景信息。由于其高灵敏度、宽谱段响应等良好的特性, 单像素成像是近年来的研究热点。通过对高维光信号的编码采集与解码重构, 单像素成像能够满足丰富的成像需求。介绍了单像素成像的研究背景, 简述了其成像原理及重构算法, 从光信息编码与解码角度系统回顾了单像素成像的研究现状和前沿技术。此外, 还讨论了单像素成像技术中存在的问题, 以及未来可能的研究方向与应用。