近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所信息光學(xué)與光電技術(shù)實驗室和量子光學(xué)重點實驗室合作，提出一種基于物理模型與數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動的智能計算成像方法，相關(guān)研究成果發(fā)表于《光子學(xué)研究》(Photonics Research)。

計算光學(xué)成像的研究主要集中在對編碼方式和解碼算法的設(shè)計。傳統(tǒng)方法使用光學(xué)知識設(shè)計光信號的編碼采集系統(tǒng)（正向物理模型），然后使用模型驅(qū)動的優(yōu)化算法求解逆問題實現(xiàn)解碼重構(gòu)。近幾年發(fā)展起來的智能計算光學(xué)成像技術(shù)通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式，對正向編碼模式和逆向解碼算法進行智能設(shè)計，極大的降低了成像系統(tǒng)的設(shè)計難度，但存在數(shù)據(jù)獲取困難、泛化性及可解釋性差等問題。課題組此前使用模型驅(qū)動的方式優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，無需訓(xùn)練數(shù)據(jù)，具有普適性和可解釋性，但未充分利用大數(shù)據(jù)中的先驗信息。

研究團隊提出一種基于物理模型和訓(xùn)練數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動的智能計算成像方法，并成功在單像素成像中完成了室內(nèi)和外場實驗驗證。首先使用數(shù)據(jù)對編碼掩膜和解碼網(wǎng)絡(luò)進行協(xié)同優(yōu)化，而解碼網(wǎng)絡(luò)因泛化性問題造成的圖像偽影則通過模型驅(qū)動的方法消除。在單像素成像的研究中，采樣比僅為6.25%時，獲得了高信噪比的成像結(jié)果，并完成了公里級的外場實驗驗證，有望實現(xiàn)遠距離運動目標(biāo)的三維成像。

圖1. 物理模型與數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動的智能單像素成像方法示意圖。（a）使用數(shù)據(jù)對嵌入物理解碼層的自編碼器中的編碼掩膜和解碼算法進行協(xié)同優(yōu)化；（b）單像素成像實驗裝置圖；（c）使用物理模型結(jié)合實測信號對訓(xùn)練所得網(wǎng)絡(luò)進行微調(diào)。

圖2. 聯(lián)合驅(qū)動的智能單像素成像仿真（a）室內(nèi)（b）外場（c）實驗結(jié)果。