APL | 中国科大龚兴龙教授邓华夏教授团队：动态场景的单像素计算显微成像技术创新

来源：“AIPP学术 ”

去模糊单像素计算显微成像技术

单像素成像（又称计算鬼成像）是一种新型的计算成像技术。它采用结构化照明，并使用无空间分辨能力的光电探测器（单像素探测器）代替像素化面阵探测器。由于单像素探测器具有制造工艺简单、灵敏度高和宽光谱带响应等优点，使得单像素成像在非可见光波段、极弱光和散射介质成像等方面展现出巨大的应用潜力，引起了广泛关注。

单像素成像因其独特的成像机制，在光学调制时需要采用结构化照明。尽管单像素探测器本身不依赖透镜，但在照明端通常需要借助空间光调制器和投影透镜，将编码照明图案聚焦投影到物体上，以实现精确的光学调制。然而，单像素成像需要大量的光学编码来提升成像分辨率。降低光学编码数量将导致单像素成像的图像模糊。如何在仅仅使用少量光学调制编码的情况下同时降低单像素成像的模糊，对于单像素成像的科学应用至关重要。此外，当投影透镜散焦时，原始编码图案和散焦图案之间的差异会导致成像结果模糊。在三维成像场景中，由于光学透镜的景深有限，编码照明图案难以同时聚焦投影到所有目标物体上，这就会导致位于投影透镜焦平面以外的物体成像结果模糊，使得捕捉焦平面以外物体的细节具有挑战性。

为了解决上述挑战，该团队提出了仿人眼视网膜中心凹单像素成像方法和计算重聚焦鬼成像(CRGI)方法（图1）。为了解决光学编码图案数量少导致的成像模糊问题，提出了仿生人眼视觉技术，实现了对单像素成像系统的局部分辨率增强。首先建立从均匀空间到人眼中心凹变分辨率视觉空间的映射关系，然后将传统傅里叶单像素成像所使用的均匀分布条纹图案映射到中心凹视觉空间，形成仿人眼中心凹光学编码条纹。相比于传统光学编码图案，使用中心凹条纹图案调制目标场景可将单像素成像局部分辨率提升2倍以上，解决了图像模糊问题。进一步，实验结果表明该方法在维持目标区域成像分辨率的同时将单像素成像的视场角增大了3.14倍。针对光学编码投影失焦导致的图像模糊问题，该团队通过原位点扩散函数(PSF)估计实现了对成像系统的景深拓展，消除了失焦模糊问题。研究根据计算鬼成像系统的光学特性，提出了一种快速的PSF原位测量方法，能够快速测量成像系统不同深度的PSF。CRGI方法通过将相应深度的PSF与调制图案的卷积重新构造成测量矩阵，在仅进行一次成像测量的情况下，采用压缩感知重建算法，分别对不同深度的物体进行计算重聚焦成像。通过多焦点图像融合，CRGI方法可以直接重建三维场景的全聚焦图像，而无需任何图像配准。实验结果显示，CRGI方法能够将传统计算鬼成像方法的景深拓展至四倍。此外，CRGI方法适用于各种调制图案，具有出色的泛化能力。其简单实现、高效性和泛化性使其成为光学显微镜成像及其他领域极具前景的计算重聚焦方法，具有重要的应用前景。

除了上述去模糊单像素计算成像方法外，该团队还先后提出了高动态场景下的特征选择单像素成像技术，活体检测与心率测量技术，高速旋转环境成像技术，高空间分辨率与高时间分辨率需求场景成像技术，相应的研究成果汇总在图2。上述研究工作大幅提升了单像素成像在复杂场景下的成像性能，拓宽了单像素成像技术的应用范围。

原位PSF估计的重聚焦计算鬼成像研究工作奠定了设计大景深单像素显微系统和开发高分辨率显微成像技术的基础。快速对焦相较于大景深显微成像更具优势，因此值得对单像素显微成像的快速对焦进行进一步研究。同时也为研究仿生单像素显微成像提供了一个新的思路。

龚兴龙，中国科学技术大学近代力学系教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，享受国务院政府特殊津贴。现任中科院材料力学行为和设计重点实验室主任。目前主要研究方向为智能材料和实验固体力学中的先进测量方法、技术与应用。已发表SCI收录论文四百余篇。自2019年斯坦福大学发表 “World Ranking of Scientists (2%)”以来，连续5年入选该榜单。2020年以来，已连续4年入选Elsevier发布的“中国高被引学者榜单”。

邓华夏，中国科学技术大学特任教授，获国家高层次青年人才项目、中科院高层次青年人才项目、安徽省自然科学基金杰出青年基金等特别资助。紧盯国家重大需求，围绕着动态系统的测试、控制和应用展开研究，在振动控制、量子计算成像等领域取得了一系列原创性的研究成果。已发表SCI收录论文一百余篇，授权国家发明专利50余项。获得了中国仪器仪表协会“金国藩青年学子奖”、英国利物浦大学最高奖“Duncan Norman Research Scholarship”、Frontiers in Materials “Rising Star”、安徽省科学技术奖二等奖等学术奖项。

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