未来视界：计算光学带来的成像革命

本书以科普的形式，详细阐述了计算光学成像的基础知识和实践应用。
通过专题讲解的形式，深入浅出地讲述了光场、光学系统设计、偏振、散射成像、相位、计算照明、计算光学成像中的数学问题、计算成像的编码等计算光学成像的关键技术，阐述了超快成像技术、计算探测器、深度学习、超分辨率、量子成像、微纳光学等前沿技术与计算光学成像的融合。
本书用通俗易懂的语言、形象直观的插图，将计算光学成像技术娓娓道来，不仅可以为计算光学和光学成像等领域的初学者建立一个完整的理论体系，帮助其更好地理解这门学科；而且能够为广大计算光学领域的从业人员提供参考，使其短时间内对某个专题有较为深入的认识，更好地做好研究和应用工作。

邵晓鹏，教授，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，173重点项目首席，科普专栏作家。
主要研究方向：计算光学成像技术、光电图像处理与模式识别、光电仪器研制与测试。
现任国家部委专业组专家，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、陕西省光学工程学会副理事长、西安市激光红外学会副理事长；国防工业光电信息控制和安全技术等多个重点实验室学术委员会委员。Advanced Imaging主编，Ultrafast Science副主编，《应用光学》副主任委员，《激光与光电子学进展》《光学 精密工程》《光子学报》《系统工程与电子技术》《数据采集》《光电技术应用》《西安电子科技大学学报》等期刊编委。

1、本书以科普的形式，详细阐述了计算光学成像的基础知识和实践应用。
2、深入浅出地讲述了光场、光学系统设计、偏振、散射成像、相位、计算照明、计算光学成像中的数学问题、计算成像的编码等计算光学成像的关键技术。
3、阐述了超快成像技术、计算探测器、深度学习、超分辨率、量子成像、微纳光学等前沿技术与计算光学成像的融合。
4、围绕知识普及的目的，采用专题的形式，用通俗易懂的语言、形象直观的插图，将计算光学成像技术这一前沿技术娓娓道来。
5、建立了计算光学和光学成像等领域的完整的理论体系。

——我为什么要写这些文章？
很多人问我，你为什么要写这些文章？你写这些文章谁看啊？也有人认为这样的文章既不是学术论文，也不是起点低、一看就懂的科普文，不伦不类；更有人说，一个教授写这样的文章有辱斯文。但是从确切的阅读数据和很多读者的反馈来看，我写的这些文章还是广受欢迎的，受众面也不算小，而且更多的是正面评价。
那么，写这些文章的初衷是什么呢？
首先是为计算光学成像正名，让更多的人正确看待计算光学成像。计算光学成像属于新兴交叉学科，涉及多个学科，对此，每个人都有自己的理解，甚至概念解释上也存在各自表述的问题。在计算成像学术圈里，对计算光学有不同的理解，也有不同的解释；在学术圈外，“望文生义”的情况更是屡见不鲜。很多人看到“计算”就联想到了计算机，将其归类为计算机科学学科。在计算成像的发展初期，就出现了“Computational Imaging”与“Computational Photography”共存的现象，到了国内自然就有了不同的翻译，也造成了些许的混乱。大家遵循先入为主这一传统，一旦叫惯了就不愿意改，其实这有什么关系呢？内涵没有变，做的事情是一样的。再到后来，光学专家觉得加上“光学”二字更聚焦，于是，“计算成像”也就变成了“计算光学成像”。
其次是应工业部门的应用需求。近年来，计算光学成像很火，工业部门作为应用单位，经常会被这些“花里胡哨”的词侵染，既不敢大胆肯定，也不敢轻易否定，有时就会出现这样的场面：经费花了一大把，却解决不了实际问题。最严重的是后遗症，题目立了，虽然没有解决问题，但却把后面的路堵死了，很难再立新题。工业部门面对的是解决实际问题，而很多学者却更偏向发表学术水平高的论文，于是就出现了两个看起来“目标一致”，结果却大相径庭的情况。
不考虑边界条件泛化技术在学术界里很流行，工业部门经常看到的是论文、PPT中结果好的一面，却没有看到边界条件，而这个边界条件经常会被有意无意地弱化。其实，更糟糕的是坐在课堂里的学生成了受害者，他们很多人也不去考虑边界条件，结果可想而知。前几天，我教过的一个学生，现在是一个实验室的首席科学家，打电话告诉我，他读了我其中的一篇文章后，“心里拔凉拔凉的”，他们立了一个项目，现在看基本没有希望能做出来，他说希望这样的文章更多一些。之前，更有多个朋友向我反馈，他们的“大总师”读了我的这些文章之后也给出了很高的评价，他们能够很轻松地理解计算光学，尤其是我在这些文章中都把边界条件考虑进去了，防止他们“踩雷”。
然后是计算光学成像自身发展的需要，建立起计算光学的知识体系，梳理知识点，引导计算光学技术朝着正确的方向发展。计算光学的发展很迅猛，因为涉及光学、信号处理和数学等多个知识体系，研究者众多，同时也造成了研究方向的纷杂以及知识体系的零乱和不完备，这时候需要有人来梳理。这种情况实际上在每个学科方向上都会出现，但是，梳理这些内容不仅费力，而且很难有“收获”。我在《光子学报》上发表了一篇“计算成像体系与内涵”的论文后，受到了广泛的关注，有很多单位邀请我做报告、做学术研讨。
可能与大部分学者不同的是，我长期与工业部门打交道，对用户需求关注更多一些；同时，我也是高校的教授，深谙高校学者学术之路，对前沿技术也特别关注。我会用比较客观的眼光来看待这些问题，尤其是我在计算光学的发展方向和重点领域都做了相应的部署。作为一门新兴的学科方向，需要有人梳理研究方向，建立起完整的学科体系，尤其是指出发展的重点，尽量避免为了热点一拥而上，造成资源的浪费。其实，目的还是为了解决应用的问题。在计算成像中，有很多非常重要的问题没有人去研究，我想借助这种模式推动更多人去认识问题，研究这些重要的内容。
最后是普及计算光学知识，培养从事计算光学的群体。论文一直是传播知识的主流，但论文的发表受到太多因素的约束，内容上一般不会成体系地论述，而且文字方面也有很多限制。但科普文不同，在自媒体发达的时代，科普文能以更灵活快捷的方式发布，尤其在内容上，可以不受论文格式的约束，能够更成体系地深入论述问题，把一个问题说清楚。系列科普文各自成章，整体上可构成体系，同时具备科普的特点，能够为广大从事计算光学的研究者提供参考，帮助其在短时间内对某个专题有较为深入的认识，更好地做好研究工作。
大学教授有其社会责任，其中一个较大的责任就是向社会提供科学技术宣传普及。我亲历了计算光学的发展，联合国内的单位建立了计算成像联盟这样的创新共同体，主办过多次计算成像的全国性专题会议，这些都是很好的形式。这些科普文章主要面向的还是有一定相关背景基础的人群，同时也需要一定的物理基础。我更希望的是能够正确引导从事计算光学研究的人员面向需求，选择方向，引起工业部门关注新技术的发展，做出科学的决策，用好技术。当然，我也希望管理部门的人员能够关注计算光学，在管理决策方面能够更加宏观把控，合理布局。
感谢一路支持我的朋友们！感谢我团队的老师和同学！感谢给我们提出宝贵意见的读者！

下一代光电成像技术：计算光学成像 001
1. 什么是计算光学成像 002
2. 为何要发展计算成像 003
3. 计算成像发展过程中面临哪些问题 004
4. 计算成像有哪些种类 006
5. 计算成像发展的现状怎么样 007
6. 计算成像的未来是什么 007

光场：计算光学的灵魂 009
1. 什么是光场 010
2. 从物理学的角度看光场 011
3. “全”光场的意义是什么 015
4. 如何测量“全”光场 016
5. 光场对计算光学的推动 018

光学系统设计，何去何从 021
1. 熟悉的光学镜头 022
2. 球面、非球面、自由曲面到超透镜 024
3. 极简光学系统设计 028
4. 计算光学系统设计 029

偏振：古老却依然很新鲜 031
1. 漫长的偏振历史 032
2. “无所不能”的偏振 035
3. 偏振探测器——偏振成像走向广阔市场的钥匙 041
4. 偏振成像的未来是什么 043

散射成像：又爱又恨的散射 045
1. 无处不在的散射 046
2. “开挂”的散射成像 052
3. “被炒作”的散射成像 057
4. 散射成像的未来 059

相位，到底是个啥 061
1. 相位到底是什么 062
2. 相位能干什么 065
3. 怎么用好相位 071

计算照明，你是计算成像的“金箍棒” 073
1. 什么是计算照明 074
2. 为什么要计算照明 075
3. 计算照明拥有美好的未来 083

计算光学成像中的数学问题思考 085
1. 0≠1，数字与模拟的对决 086
2. 再见了，无穷 089
3. 除以0，你躲得了初一，逃不了十五 090
4. 歧路亡羊——一对多映射问题 092
5. 虚做实来实亦虚——相位恢复 095
6. 相关 097
7. 尾声 099

计算成像的编码，该怎么编 101
1. 编码到底是什么 102
2. 为什么要编码？我们该怎么编码 104
3. 如何评价编码 107
4. 编码的未来如何 109

偏振为什么能三维成像 111
1. 寻找另一个维度的代价 112
2. 偏振三维成像的原理 117
3. 偏振成像系统与偏振三维成像卫星载荷 120
4. 影响偏振三维成像的因素 123
5. 更广阔的应用前景 124

再论计算成像——应用篇 127
1. 手机摄影 129
2. 监控 131
3. 汽车自动驾驶 133
4. 光学遥感 135
5. 医学检查与手术 136
6. 工业检测 138
7. 军事应用 141
8. 总结 141

天下武功，唯快不破——超快成像技术 143
1. 什么是超快成像（高速摄影） 144
2. 超快成像的发展历程 147
3. 超快成像分类 153
4. 超快成像存在的问题和未来 155
5. 尾声 157

千呼万唤不出来的计算探测器 159
1. 人眼，视觉与仿生 160
2. 从胶片到CCD和CMOS 163
3. 什么是计算探测器 165
4. 探测器的未来是什么 170
5. 总结 171

深度学习：你行不行 173
1. 源起 174
2. 兴盛 177
3. 失败 180
4. 求败 182

超分辨率，到底超了谁 183
1. 分辨率的定义 185
2. 衍射极限与分辨率 186
3. 超分辨率与超衍射极限 189
4. 图像超分辨率重建 200
5. 小结 200

量子成像“量子”不 201
1. 量子，科学史上最大的“纠缠” 202
2. 量子成像，满足了人们的科幻想法 207
3. 从量子成像到关联成像 211
4. 如何对待量子成像 213
5. 量子啊，量子 214

微纳光学，你很有前途 217
1. 倏逝波、负折射率和光子晶体 218
2. 什么是微纳光学 222
3. 微纳光学在成像中的作用 228
4. 很有前途，但路很长 237

天下无雾：我们能不能透过那道雾霾 239
1. 天下无雾 240
2. 雾里看花——我们到底能看多远 246
3. 心中无雾——让我们看得更清楚 250
4. 雾兮雾兮，其形若兮 252

信息是如何在光场中传递的 253
1. MTF，举起了传统成像评价的大旗 254
2. 熵：从热力学到信息论 256
3. 信息在成像链路中的传递 259
4. 信息容量与解译 264
5. 总结 269

参考文献 271