作者 |西安电子科技大学 邵晓鹏

 

序

 

       计算光学成像由十年前的“小学生”步入了大学殿堂，越来越受到重视。从文昌卫星发射基地试验归来的东东，心情异常激动，他的专业方向就是计算成像。那天晚上，东东睡得很晚，闭上眼睛，想着当天晚上“天舟6号”发射的情景，心里还在琢磨着2023年计算光学成像被列为达摩科学院未来十大发展方向之一，2023年计算光学成像被列为宇航领域十大科学问题和技术难题之一，不知不觉已进入了梦乡，做了一个神奇的梦。

 

达摩科学院未来十大发展方向

 

宇航领域科学问题和技术难题

 

       喜欢读西游记的东东梦回到了长安，梦见了他最喜欢的孙悟空。虽然，东东不喜欢后来打妖怪犹犹豫豫的悟空，他问：“大圣，你大闹天宫的风采让人振奋，三打白骨精时威风凛凛，也颇为痛快；但后来，很多妖怪本事也不大，你怎么动不动就不敢打了啊？”悟空却说：“你给我来杯咖啡吧……”

 

       良久，悟空说：“最近西方有一群妖怪又开始作怪了，偷窥我大唐美好山河，兴风作浪，欲行不轨之事，其心昭昭。师傅说，这几年带着我们师徒几人研究计算成像，也该出手教训他们一下……”

 

       东东瞪着大眼，问：“你的火眼金睛属不属于计算成像？”悟空呷了一口咖啡说：“你知道二郎神吗？”

 

 

一.第三只眼

 

       悟空说，有一天，心直口快的玄奘大师遇到了蛮不讲理的二郎神杨戬，客气地问道：“人是人他妈生的，妖是妖他妈生的。你妈贵姓？”你知道二郎神最忌惮的就是别人问他的出身（关于二郎神的出身有多个版本，各位看官不必细究）。当年，他阻碍外甥沉香救母之事，已经让他在天界里名望下降了99.99%，好在他“千里眼”之艺高护体，又是玉帝的外甥，谁也不敢把他怎么地。

 

       “东东，二郎神的特点是什么？”悟空问。

 

       “三只眼睛！”东东抢答。

 

       “那你知道他为什么有三只眼睛吗？”悟空又问。

 

       “他是千里眼啊！”东东不假思索。

 

        “哎，你看，东东，读博士了怎么还是学不会主动思考啊？比你导师还是差远了。”悟空遗憾地摇了摇头，继续道：“二郎神那么恨我，其实更因为我师傅。我师傅嘲笑他的出身，其实就是二郎神千里眼的答案！”

 

       东东瞪大了眼睛：“什么，还有秘密？”悟空说道：“因为他妈是神仙，他爸是凡人，生了个混血，却长了三只眼睛……”悟空极不厚道地笑了笑，那一年，二郎神害得他好苦。

 

       “二郎神小的时候受尽了欺负，因为跟别的小朋友不一样，早早就辍学了，只有班里的小倩同学不嫌弃他，还送了他一只玉兔。其实，这也是二郎神性格形成的原因啊。不过，这家伙四肢发达，也颇有些力气，头脑也不简单。有一天，他的那只小兔子走丢了，情急之下竟然打开了第三只眼，结果呢，你猜怎么着？他很快就看到了远在几公里外的小兔子。他明白了，所谓开了天眼，其实是他妈赠送给他的礼物。”悟空问：“你知道这是为什么吗？”

 

 

       东东说：“开天眼了呗！”

 

       悟空摇了摇头，语重心长地说：“这其实就是计算成像中的‘升维’！他这只不同于凡人的眼睛，相当于焦距很长、而且能够穿透云雾，甚至可以穿越千山万水，‘见所欲见’。他的这只眼睛平时关闭，一旦打开，就开启了维度提升模式，不仅可以把偏振、相位、光谱等多物理通道打开，而且还开启了大脑的高速数据处理模式，这就是所谓的‘计算处理’，这一顿操作下来，竟然把大气、云雾、沙尘和水等介质变得‘透彻’，无论是白天还是夜里，也无论处于何种环境下，什么也逃脱不了他的这只‘第三只’眼……”

 

       说到这，悟空凝望了一下星空，再次回忆起当年与二郎神大战之情景，愣了愣神，意味深长地说：“他本事很大……”

 

 

       东东突然顿悟到：“大圣，你看，现在的光电吊舱也是由可见光、中波红外、长波红外和激光雷达构成的，有的还备有短波红外相机，这也是多只眼睛啊！为了看得更远，这是不是也是升维啊？”

 

 

       悟空说：“你要说算也只能说勉强算吧。这些相机多配备10倍以上的变焦镜头，多个波段同时观测，以弥补单一谱段的不足，但这跟二郎神比可差远了！虽然可以切换到长焦看得更远，但是，透雾能力很弱，环境适应性也差，一旦遇到了云雾，那更是无能为力，‘靠天吃饭’的标签牢牢地钉在光电装备上。‘看不远，看不清’，不好用，却不得不用。这次卫星发射，你就能看出来，天气看起来很晴朗，可是从8km外穿越海面看发射塔，影影绰绰，水汽带来的大气扰动十分明显，结果就是看不清楚。即使换成不同的波段，这些问题还是不能彻底解决。现在的这些光电吊舱，在二郎神的眼里就是一堆简单堆砌、没有灵魂的废铜烂玻璃。

 

       二郎神才是升维的大行家，他把时间、空间、光谱、偏振、相位等等这些信息有机融入到了他的第三只眼，做到了收放自如，达到了‘见所欲见’的目的。

 

       而且，在有些时候，他还能“眼放金光”，使得天下之事皆收眼底。其实，这是他采用的主动光场调制的方法，可以实现“见所未见”。再高档的显微镜、望远镜，对二郎神来说，Low得不能再Low了……”

 

 

偏振、光谱、相位的融合

 

       悟空突然回忆起当年他与二郎神大战之情景，幽幽地说：“玉帝看中二郎神的绝不是因为他们的血缘关系，这独一无二、不可复制的本事才是他能立稳天宫的根本！能跟我老孙打成平手的不多啊，二郎神确是‘升维’的高手！”

 

       说到这里，悟空说：“还有一个高手，你知道吗？”东东摇头。悟空道：“那人就是我的好朋友敖丙，他可是水下看得最远的神仙，你知道他是怎么看的吗？”

 

 

二.遨游东海的少年

 

       东海太子敖丙有一个美好的童年。

 

       他的父亲是东海老龙王，视力在慢慢地变差，几十米外水里的东西就看不清楚了；

 

       好消息是他的儿子敖丙的视力却惊人达到了传奇程度，他能看清楚东海几公里外的东西。

 

       “东东，你知道这是为什么吗？”悟空问，东东摇头。

 

       要知道，水下的世界远远比陆地上复杂，生物也多，水质也随着区域的不同发生变化，即使是清澈海水，现在的“高科技”最多也就看百米左右。这跟敖丙比那就是小巫见大巫，根本不在一个量级。

 

 

       “你知道这是为什么吗？”悟空盯着眼神迷离的东东，继续讲下去。

 

       敖丙可能是因为从小吃海参龙虾之类高级海鲜吧，他的眼睛跟一般人不一样，具体的特点如下：（1）眼睛瞳孔可以张开很大，据说F#达到了0.75；（2）视网膜有密有疏，相当于有的感光细胞感光面很大，灵敏度极高；（3）视力感光谱段从紫外到短波红外，而且还带偏振；（4）他的眼睛还能发光，而且发出来的是动态调制的光，能够适应不同水质的海水；不仅传输得远，而且具有回波过滤功能，其他杂波一概滤除。

 

水下成像系统

 

       悟空说：“我看到眼睛能发光的还真不多，二郎神算是一个，这个敖丙也是一个。这个敖丙的本事也真是大，自己发出去的光似乎有了自己的思想一样，返回来统统能识别处理，这对环境干扰来讲，什么都不是问题了。我也曾经问过敖丙，是不是你这里有量子纠缠啊？敖丙却顾左右而言它，含糊地说：“我不懂什么纠缠不纠缠，闹上门来的我就打！别在我这里死缠烂打。其实，他这是故意的，凭着敖丙的智商，哎……”

 

 

       东东懵懵懂懂，似是而非地说：“这么神奇啊！”

 

       悟空有点怀疑地撇了他一眼，道：“现在做计算成像的人越来越多，但很多人还没有把计算成像的内涵搞清楚呢！你到底看没看过那篇‘量子成像量子不？’？其实呢，我分析啊，这个敖丙一定是用了高阶关联成像方式，而且，他用了非相干光合成孔径技术，可以说是把水下成像能想到的基本都用上了。你看看，他升维的维度有哪些啊？”

 

量子关联成像

 

       东东说：“应该有光谱、偏振、相位……”

 

       “其实，哪止啊？！做学问，需要悟性啊！现在很多学生，上课不抬头，只带着手机就来听课了，更别说思考了！”悟空仰头倒了倒那杯已见底的咖啡杯，茫茫然……

 

三.小时候喜欢看太阳的小石猴

 

       悟空斜睨着似懂非懂的东东，道：“给我来瓶啤酒吧，东东！你知道吗？水越喝越冷，酒越喝越热。”

 

       东东说：“你还喝酒？”悟空说：“我师傅喝得（详见《西游记》女儿国一章），我为何喝不得？”

 

        “现在的啤酒越来越难喝，淡！”悟空接着说：“东东，你能看到从太阳那边飞过来的无人机不？”

 

 

       东东手打凉棚，眯着眼睛看了一眼，差点被太阳的光芒灼出内伤来。悟空淡淡地说：“我还是个石猴的时候，就特别喜欢盯着太阳看。”东东瞪大眼睛说：“你不怕光？”

 

       悟空不屑地道：“我怕过什么？有个日耳曼人说：唯有太阳和人心不能直视。而我恰恰是那个例外。”

 

       东东的眼睛瞪得已经要超越极限了，发出了灵魂之问：“为什么？”

 

       “哈哈哈，那是因为我患有天生的白内障！”悟空调皮道，“一般人都认为白内障很可怕，严重影响视力。不过呢，的确如此。人的眼睛遇到强光后，第一反应是缩小光圈，就是瞳孔缩小。可是，时间长了，眼睛依然受不了。你看，你们学校每年毕业季拍毕业照时，经常遇到烈日当头，很多人照完相后眼睛就流泪了，根本受不了那么强的刺激。当然了，正确的做法是闭上眼睛，喊了1、2、3之后再睁开。如果长时间、甚至常年都处在强光之下，眼睛就开始本能地想阻挡更多强光入射进来，于是，就有了白内障。有的白内障对人影响不大，有的却很严重，甚至导致失明，这当然与白内障长的位置和严重程度有关。”

 

白内障患者眼球

 

       “这破啤酒比那个比利时的那个啥10号差远了！再来一瓶。”悟空随手把酒瓶子扔了出去，天空中现出了一道亮光。

 

       “没想到，我这个天生的白内障竟然是上天赐给我的礼物！以前，我一直不知道我有白内障这回事儿，是那一年师傅收我为徒入学体检时发现的。你说，可笑不？当时可真把我吓呆了。我在五指山下压了500年，500年啊！终于有机会得有缘人搭救，恢复自由；而一旦我体检有问题，取消了我的博士入学资格，那可就惨了！于是呢，他们还专门对我的天生白内障做了中医脉象检查、西医的拍照、B超、CT检查等，能做的全做了，召集了天庭的医学专家做了九九八十一天的会诊，也难有结论。不过，留下的资料倒是很全，别说，以后还真用上了。最终啊，在鉴定组组长观世音菩萨的主持下，得出一个结论：该白内障属天然，无任何添加，不存在变异问题，且不影响正常视力。体检正常！”

 

 

       “你说可笑不？幸亏那时候还没有精神病检查……”悟空灌了一口酒，道：“真难喝！”紧接着，他又打开一瓶，慢悠悠地说：“我这个宝贝‘白内障’其实是一幅无比精密的光学编码器，天生用来看强光的。而且呢，当光线暗的时候，‘白内障’自动消失；而一旦光学强了，它就会像你们用的那个毛玻璃一样，抵御强光入射眼睛。当那些妖魔鬼怪想顺着太阳光直射的方向过来偷袭时，我迎着太阳看过去，跟你们顺光看过去的效果一模一样，清清楚楚。你知道为什么吗？这幅‘白内障’的强度调制恰好做了匀光处理，这时候入射到我眼睛的光线强度没有超过阈值，所以呢，我没有感到任何的不舒服；但不同的是，在那一瞬间我看到的是茫茫一片白，没有任何清晰的影像。也就是在这个时候，我的大脑在那一刹那间，启动了‘白内障’的编码功能，能够在白茫茫的一片中看到一个个有逆光过来的轮廓，然后迅速发出一束精准的光照射到每一个轮廓，这些轮廓随着光速传播的时间渐渐清晰起来，什么妖魔鬼怪，都逃不出我的火眼金睛！这个过程，也就是你老师说的那个升维。”

 

 

       “你说你的白内障档案还起了作用，那是怎么回事？”东东好奇地问。

 

       悟空白了他一眼，摇摇头道：“你们怎么都对八卦感兴趣啊？你还记得真假美猴王的故事吧？”

 

        东东说：“我记得。”

 

       悟空说：“你知道内幕吗？我和六耳猕猴一模一样，任百般武艺也是一般，谁也分不出来。最后呢，还是我提醒佛祖，看我的‘白内障’，最后这帮蠢货才认出了真的我。要不是我有这天生‘白内障’，说不定死的真是我。不信啊，你看看现在网上那些阴谋论者，动辄引经据典地说打死的是真悟空，因为他不听话云云……”

 

       “东东，你真的应该好好理解一下什么是升维！脑子不用会长草的。”悟空不误遗憾地说。

 

四.太上老君无意中送给了悟空一份礼物

 

       东东不好意思地问：“你能说说你的‘火眼金睛’吗？”

 

       悟空道：“我正要说这事呢，其实，这也是一种升维。”

 

       “怎么又是升维？”东东嘟囔着。

 

       “看来，你导师也没教出什么好学生！”悟空道。

 

       “不许你说我导师！他在计算成像领域是很有名的……”东东不悦道。

 

       “呸！他也配？！”悟空说：“他光知道什么空间、时间、光的物理性质云云，升维的维度其实分两部分：一部分是成像用到的维度，也就是时间、空间、相位、偏振等这些原材料；另一部分呢，则是升到的那个维度，比如看得到的三维空间、光谱维度等等。其实我这么说，你也不一定能明白。”

 

 

       悟空问：“你知道‘形象’这个词吧？”

 

       东东说：“我小学就学过。”

 

       悟空不屑地说：“可是，你未必懂。这个词由形与象两个字组成，汉语中的很多词是蜕变而来的，很多两个字的词都是由原先两个代表相同或不同意思的字蜕变而成，语言变得越来越啰嗦，文学也由诗词到戏曲，再到小说，字数越来越多，生怕说不清楚似的。‘形’，其实指的是外在，而‘象’则是抽象的本质。”

 

       借着，悟空继续道：“说起这火眼金睛，那还是太上老君这佬儿一不小心送给我的一份大礼呢！太上老君本想拿我入药做引子炼仙丹，和玉帝抢生意，卖他的狗屁长生不老仙丹，以巩固他在天庭中的地位。没想到，这佬儿没把我炼成丹药，仙丹却被我吃了个精光。哈哈哈，来，喝酒……”

 

 

       于是，他一仰脖，喝了个精光，似是要吃那丹药一般，毛脸有点泛红，却继续道：“你们可能都以为我的火眼金睛能看出妖怪的原形，你们看的主要是这里的‘形’，其实，都错了。原因呢，就是你们还处在低维度的思考模式中，根本跳不出来，这也是计算成像发展缓慢的原因！”

 

       悟空白了一眼愣愣的东东，哼了一声，说：“其实我不但可以看到‘形’，而且能透过‘形’看到‘象’，也就是本质。太上老君这佬儿的六味真火真的厉害，烧得我浑身难受，熏得我几乎窒息，我一直闭着眼睛；可正当忍无可忍之时，我睁开了眼睛，突然一股热流直入我的双眼，我心里一惊：完了！可是，入眼之后才发现这股热气竟然进了我的丹田，慢慢渗入我的大脑；紧接着，我惊奇地发现：太上老君的炼丹炉变得透明，而且周围的世界发生了天翻地覆的变化，凡入我眼之物都大大地写上字、贴上了标签一般，什么真伪，一看便知。”

 

 

       东东惊得又是突破极限般地瞪圆了双眼，道：“你看到了光谱？”

 

       悟空说：“你说的那些都是‘形’而非‘象’，我看到的是‘象’，可能就是你们现在鼓吹的那个什么新‘视’界。呵呵……”

 

       “我看到的不光是光谱，光谱、偏振、相位这些东西到我的眼里已经全部变成了‘象’，如果说数据量，可能只有几KB，不像你们现在的成像光谱仪，一幅照片就几十GB，查个东西要几天，还分辨不清楚……哈哈哈，真是笑话！”悟空又开一瓶啤酒，接着说：“你现在知道我为什么能看得透明吧？”

 

       “X射线？”东东说。

 

       “当然有X射线，而且还有你们现在说的太赫兹，其实那时候我们叫极远红外。”悟空说：“其实，我看到的世界跟你们看到的完全不一样。你想想，你们只能感受可见光0.38-0.78μm这么窄范围的光信息，即使如此，你们还以能看到五彩缤纷的世界而感到自豪！但是一旦超越了这个维度，人类好像就没办法理解了。你去看看那些所谓的可见光/红外融合之类的图像，那能表达出什么意思呢？无非是把两幅以上的多谱段图像合成在一个维度，做了个查漏补缺，号称解决了什么难题。可笑！这本质上是降维。跨越多个谱段的探测器怎么做、图像怎么显示，似乎都是难题。说白了，你们看到的是一个很低维度的图像，连‘形’都没有做好；而我看到的不仅仅有‘形’：丰富的光谱、超宽的光强范围、超越全息‘n维’视觉……；而且还有这些内容形成的‘象’。这就是所谓的‘见所未见”。当然，我知道你们理解不了什么是‘象’，那是因为你们的思维一直处于低维度……”

 

高光谱图像

 

五.谁是高手？

 

       东东说：“我怎么感觉你比我导师还牛啊？”

 

       悟空把酒瓶一扔：“你导师？呸，他算个什么东西，写什么狗屁不通的所谓科普文，还洋洋得意，似乎他打通了任督二脉一般，其实他就没有任督二脉，说白了，天生废物！凡是光说不练的，说起来大道理一套又一套，似乎无所不能；但教的东西和做的东西没个能用的，都是骗子！”

 

       东东争辩道：“我导师不是骗子！我觉得他一说那‘升维’就让我醍醐灌顶了。那你说谁是高手？”

 

       悟空说：“哼，什么‘升维’，这些都是你们这些造的词，好像有多么高大上一样。这个世界上的基本规律就那么几条，哪有你们想得那么复杂！我说啊，要说是高手，这个世界上还真有。你看看是不是有很多人还是在默默地做事，把计算成像装备发上天了、下了海的，还有在手机中应用了的，这些人都是高手！” 

 

 

       接着，悟空又道：“现在啊，你们现在做的所有成像都没有摆脱动物的视野，比如蝙蝠的雷达、蛇的红外、龙虾的X光、虾姑的偏振……你们人类的想象力弱爆了。未来‘视’界，到底是什么？其实，你们统统都没有概念……”

 

 

       “东东，醒醒，我们该出发回长安了……”随行的西西推醒酣睡中的东东，原来是南柯一梦。

 

 

上期获奖名单

 

 

（请这位读者将姓名、电话、邮寄地址发送至后台，小编将寄出大礼包一份。）

 

       邵晓鹏专栏上回说到，光场是计算光学成像的灵魂，升维则是计算光学成像的引擎。便有读者在文末留言，讨论得不亦乐乎。这回对升维的细细探究，不知各位看官是否满意。本期答案揭晓，你猜对了吗？

 

作者团队简介

 

 

       邵晓鹏，教授，博士生导师，西安电子科技大学光电工程学院院长。

 

        西安市计算成像重点实验室主任，西安电子科技大学杭州研究院先进光电成像与器件实验室主任，西安电子科技大学光学工程学科带头人。

 

       陕西省创新人才推进计划中青年科技创新领军人才，陕西省新体制光电成像与感知科技创新团队带头人，中国光学工程学会常务理事，中国光学学会理事，陕西省光学学会副理事长，西安市激光红外学会副理事长，中国宇航学会光电委员会常务委员，中国兵器光电子专业委员会委员，华为媒体技术实验室技术咨询委员会委员，美国光学学会（OPTICA）会员，国际光学工程学会（SPIE）会员。

 

       光电信息控制和安全技术重点实验室学术委员会委员、中科院航空光学成像与测量重点实验室学术委员会委员、中科院光谱成像技术重点实验室学术委员会委员、中科院空间精密测量技术重点实验室学术委员会委员、中国红外探测器技术航空科技重点实验室学术委员会委员、陕西省先进光学技术国际联合研究中心学术委员会委员、陕西省光信息技术重点实验室学术委员会委员；Ultrafast Science副主编，《激光与光电子学进展》《光学 精密工程》《光子学报》《应用光学》《光电技术应用》《数据采集》《西安电子科技大学学报》《西安邮电大学学报》等期刊编委。

 

       作为国内最早开展计算成像研究的人员之一，在新体制光电成像与感知领域攻坚前沿基础研究并促进技术工程应用，率先在国内开展散射成像研究。发表论文100余篇、发明专利80余项，获省部级奖励5项，主持国家自然科学基金、国家部委专项、预研基金、国家重点实验室基金等项目60余项，年经费保持在1000万元以上，获部级科技进步奖、省部级科学技术进步奖、航天科技进步奖、信息产业部科学技术进步奖等多项重要奖项，入选全球前2%顶尖科学家榜单。倡导举办4届全国“计算成像技术与应用”专题研讨会，提高了计算成像在光学领域的影响力。带领团队成员研制了广域相机、高性能低成本小型化红外导引头、偏振相机、激光陀螺仪光损耗测试仪、辐射计量辐射光源稳定功率系统等，成果和样机用于国内多家科研院所，促进了新体制成像技术的装备应用。

 

 

       相萌，准聘副教授，现工作于西安电子科技大学光电工程学院计算成像研究所。

 

       主要从事计算成像在空间遥感、工业检测、生物医学等典型交叉学科的应用研究，具体研究方向为光学合成孔径成像、傅里叶叠层超分辨成像等；近年来主持或参与了包括国家自然科学基金、JKW预研基金、高分辨率对地观测系统重大专项、重点实验室基金等国家及省部级纵/横向项目十余项。在Optics Letters、Frontiers in Physics等国内外重要学术期刊共发表SCI论文多篇，任Optics Letters, Applied Optics，JOSA A等多个国际期刊审稿人。

 

 

       程华超，准聘副教授，现工作于西安电子科技大学光电工程学院计算成像研究所。

 

       主要研究方向包括散射成像技术和三维成像技术。近年来参与了国家自然科学基金重点项目、面上项目、联合基金项目及国家重点研发计划课题等项目研究，取得了多项具有重要学术意义和应用价值的研究成果。以第一作者在Opt. Lett.、Appl. Phys. Lett.、Opt. Express.、Appl. Opt.等国际重要学术期刊发表SCI论文4篇，以合作者发表SCI论文18篇、中文特约综述一篇。

 

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