1.前言
线阵探测器凭借其高效的推扫模式在工业检测等领域占据主导地位。然而，作为一种具有宽光谱、强抗噪及弱光适应性等优势的计算成像技术，单像素成像（SPI）长期受限于全局二维空间调制模式。在传统SPI中，重建一幅图像所需的调制图案数量随空间分辨率的平方呈指数级增长。这种“维数灾难”不仅对数字微镜器件（DMD）的刷新率提出了极其严苛的要求，还导致了海量的图案存储开销与漫长的加载延迟，严重制约了单像素成像的数据吞吐量和成像速度。因此，如何突破二维调制的内生局限，开发出一种兼具高空间分辨率与极速采样能力的新型架构，成为了当前计算光学成像领域亟待突破的核心瓶颈。
2.研究内容
2026年5月4日，合工大、中国科大及兰卡斯特大学团队在《Advanced Science》上发表了《Hadamard Matrix Slicing Single-Pixel Imaging: Establishing a Linear-Array-Inspired Paradigm for N-fold Acceleration》论文。针对传统SPI二维调制的低效问题，团队提出哈达玛矩阵切片单像素成像（HMS-SPI）技术，将2D矩阵数学切片为1D编码向量，结合线阵扫描使N×N图像的测量图案数减少N倍，彻底摆脱了成像速度受限于图案数量的困境，为高通量计算成像提供了变革性方案。
图文简介
图1：HMS-SPI系统的整体架构、哈达玛矩阵切片的调制原理以及目标图像重建的完整工作流程。
图2：在不同图像分辨率下，传统HSI方法与HMS-SPI方法在重建计算时间上的对数尺度对比结果。
图3：采用不同矩阵排序方案、在多种噪声干扰条件以及不同采样率下的HMS-SPI仿真图像重建效果。
图4：物理推扫实验装置及其实际成像表现，涵盖了多种目标在不同采样率下的高保真图像重建结果及质量评估。
3. 核心创新点
创新点1：针对传统单像素成像中所需的二维调制图案数量随分辨率呈平方级增长，导致数据采集极度低效的难点，创新点是提出哈达玛矩阵切片（HMS-SPI）技术，将经典的2D哈达玛矩阵在数学上精确“切片”为一维编码向量，使N×N图像的测量图案数量直接减少N倍，实现了数据吞吐量的数量级跃升。
创新点2：针对常规一维单像素成像需依赖机械平移目标且须反复投影全部图案，导致总调制时间依旧冗长的难点，创新点是设计了一种光机电协同的线阵推扫范式，利用线状激光与高速振镜同步周期扫描，在单次DMD图案投影期间即可获取所有列的空间信息，实现真正意义上的高速数据采集。
创新点3：针对商用DMD由于板载内存限制难以实现高分辨率图像调制，且传统方法必须受限于正方形视场及2的整数次幂分辨率的难点，创新点是该一维切片扫描机制极大地压缩了投影图案的存储需求，不仅彻底突破了高分辨下内存不足的硬件瓶颈，还赋予了系统对任意长宽比矩形区域进行灵活成像的能力。
4.总结
本文提出的HMS-SPI框架是计算成像领域的一次重要飞跃。研究团队巧妙地跳出了传统二维全局空间调制的固有思维，从线阵探测器的推扫机制中汲取灵感，通过数学切片与物理扫描的完美结合，一举打破了单像素成像图案数量随分辨率平方级增长的“魔咒”。这给我们的启发是：在突破成像系统性能极限时，算法层面的数学降维与硬件层面的光电协同设计缺一不可。这种将“2D全局编码”转化为“1D编码+时序推扫”的新范式，不仅极大释放了DMD的硬件潜力，更为未来的高速工业缺陷检测、极弱光实时传感以及高光谱成像提供了极具转化价值的技术蓝本。
阅读原文:https://doi.org/10.1002/advs.75643