鬼成像方法綜述

王倩　黃敏

摘 要 作為一種新型的成像技術(shù)，鬼成像一出現(xiàn)就獲得了眾多學(xué)者和社會(huì)的關(guān)注。因其有一條光路不經(jīng)過(guò)物體而能成像，取名“鬼”成像，顯示了其不一樣的性質(zhì)，在軍事領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。自從1995年提出鬼成像的基本模型以來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，不僅是成像設(shè)備，還是成像方法都有很大的進(jìn)展，取得了豐碩的成果。一些研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)做出了相應(yīng)的原型機(jī)，進(jìn)一步驗(yàn)證了鬼成像巨大的應(yīng)用價(jià)值。本文就對(duì)目前的鬼成像發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)整理，以總結(jié)目前的發(fā)展現(xiàn)狀，指出目前存在的問(wèn)題，以及后續(xù)的研究方向。

關(guān)鍵詞 鬼成像 綜述 發(fā)展現(xiàn)狀 研究現(xiàn)狀

中圖分類(lèi)號(hào)：TN919. 8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

傳統(tǒng)光學(xué)成像之所以能夠?qū)崿F(xiàn)成像在于光線(xiàn)通過(guò)目標(biāo)物體透射或者反射的光線(xiàn)被探測(cè)器所感知成像。但是，1995年T. B. Pittman等人在PHYSICAL REVIEW A雜志發(fā)表了題目為《Optical imaging by means of two-photon quantum entanglement》的論文，正式提出了鬼成像的原型，宣告了鬼成像的誕生。不同于傳統(tǒng)光學(xué)成像模式，這個(gè)新的成像模型不需要光線(xiàn)通過(guò)物體也能夠成像。這種新奇的成像方式立刻引起了人們的注意。由鬼成像的原理圖我們可以看出，激光泵作為初始光源，經(jīng)過(guò)偏硼酸鋇材料器件和棱鏡之后，利用分光器將激光分成了兩部分，一部分光經(jīng)過(guò)物體之后被一個(gè)沒(méi)有空間分辨率的桶探測(cè)器探測(cè)得到一個(gè)測(cè)量值，稱(chēng)之為信號(hào)光路。另一部分光經(jīng)過(guò)傳播之后直接被具有空間分辨率的探測(cè)記錄下來(lái)，稱(chēng)之為參考光路。最終將兩部分探測(cè)的信息經(jīng)過(guò)符合電路重構(gòu)目標(biāo)物體圖像。這個(gè)模型的核心是利用激光泵產(chǎn)生糾纏的量子。量子糾纏現(xiàn)象是1935年被發(fā)現(xiàn)的。量子糾纏現(xiàn)象是指同一個(gè)光子經(jīng)過(guò)分光器之后分成兩個(gè)糾纏光子。糾纏光子的特性是如果我們知道其中一個(gè)光子的狀態(tài)信息，那另外一個(gè)糾纏光子在同一時(shí)刻的狀態(tài)信息就知道了。糾纏光子在同一時(shí)刻的狀態(tài)信息是相同的。所以在信號(hào)光路和參考光路中，如果信號(hào)光路的物體和參考光路探測(cè)器與分光器的距離相等，則兩個(gè)糾纏光子在達(dá)到物體和被參考光路的探測(cè)器探測(cè)時(shí)的狀態(tài)信息是一樣的。那么參考光路的信息就是糾纏光子在物體處的狀態(tài)信息，利用符合電路就可以恢復(fù)出來(lái)目標(biāo)物體圖像信息。這就是鬼成像的基本原理，也是其魅力所在。

1鬼成像發(fā)展歷程和現(xiàn)狀分析

鬼成像的發(fā)展歷程可以總結(jié)從量子糾纏到傳統(tǒng)熱光源到計(jì)算鬼成像到壓縮鬼成像到深度學(xué)習(xí)鬼成像。這是從鬼成像成像設(shè)備到成像算法不斷演變的過(guò)程。剛開(kāi)始發(fā)展階段，由于理論研究的限制，研究者們只在某些特定范圍內(nèi)尋找相應(yīng)的光源。后續(xù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了其他光源也可以實(shí)現(xiàn)鬼成像。那么光源就不是主要的研究重點(diǎn)，簡(jiǎn)化成像系統(tǒng)成為研究者關(guān)注的重點(diǎn)。緊接著，優(yōu)化成像算法成為研究者的重點(diǎn)關(guān)注，也是目前研究的重點(diǎn)。

在鬼成像研究的初級(jí)階段，研究者都是將量子光源作為鬼成像的光源，一般都是利用激光作為光源。這種光源可以利用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換方法獲取糾纏性能較好的糾纏光子。所以，鬼成像的成像質(zhì)量依賴(lài)于糾纏光子的產(chǎn)生手段。但是糾纏光子產(chǎn)生的設(shè)備對(duì)環(huán)境等要求比較高，成像的代價(jià)較高。學(xué)者們就研究有沒(méi)有可替代的光源實(shí)現(xiàn)鬼成像。通過(guò)實(shí)驗(yàn)考察，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的熱光源也可以實(shí)現(xiàn)鬼成像。學(xué)者們又通過(guò)理論分析，計(jì)算出了普通熱光源下的成像對(duì)比度的理論值。熱光源的對(duì)比度要低于量子糾纏光源成像的對(duì)比度。通過(guò)優(yōu)化成像系統(tǒng)，基于熱光源的鬼成像的成像質(zhì)量也得到了明顯得提高。這就是鬼成像從量子糾纏光源到普通熱光源的發(fā)展歷程。

利用普通熱光源實(shí)現(xiàn)鬼成像之后，鬼成像實(shí)現(xiàn)的難度大大降低，在很多實(shí)驗(yàn)室就可以完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)。在基礎(chǔ)上，研究者們就在思考如何簡(jiǎn)化鬼成像的成像系統(tǒng)。鬼成像需要兩個(gè)光路進(jìn)行成像，一路經(jīng)過(guò)目標(biāo)物體，一路不經(jīng)過(guò)目標(biāo)物體。不經(jīng)過(guò)目標(biāo)物體的參考光路的作用就是為了記錄光線(xiàn)在目標(biāo)處的光強(qiáng)分布。所以，能不能去除一條光路？研究者們發(fā)現(xiàn)，根據(jù)空間光調(diào)制器的特點(diǎn)，我們可以通過(guò)控制空間光調(diào)制器的控制信號(hào)來(lái)控制信號(hào)光路的矩陣。所以，信號(hào)光路的探測(cè)矩陣可以通過(guò)計(jì)算得到，這就產(chǎn)生了只包含信號(hào)光路的計(jì)算鬼成像。計(jì)算鬼成像的出現(xiàn)大大簡(jiǎn)化了成像系統(tǒng)的復(fù)雜性，大大推動(dòng)了鬼成像的發(fā)展。在這個(gè)階段，成像系統(tǒng)簡(jiǎn)化以后，大家把研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了成像算法上面。雖然前期研究者通過(guò)各種方法提高鬼成像的成像質(zhì)量，但是成像質(zhì)量還是不夠理想，離實(shí)際應(yīng)用還很遠(yuǎn)。成像質(zhì)量不夠理想主要表現(xiàn)在成像結(jié)果中噪聲明顯，有時(shí)候幾乎掩蓋了信號(hào)能量。同時(shí)內(nèi)容信息較復(fù)雜的目標(biāo)物體的成像結(jié)果也很差。所以，急需提高成像質(zhì)量。為了提高成像質(zhì)量，研究者們先后提出了差分成像方法，通過(guò)測(cè)量值與平均測(cè)量值得差分運(yùn)算去除噪聲。相對(duì)于傳統(tǒng)地關(guān)聯(lián)運(yùn)算，差分成像確實(shí)大大提高了成像質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，學(xué)者們還提出了對(duì)應(yīng)成像、歸一化成像和循環(huán)去噪成像方法。這些算法都從不同的角度抑制成像結(jié)果中的噪聲。

雖然成像質(zhì)量有所提高，但是采樣數(shù)依然很高，高于重構(gòu)圖像的分辨率。這個(gè)時(shí)候?qū)W者們發(fā)現(xiàn)，大部分圖像在某個(gè)頻域內(nèi)是稀疏的，即圖像的大部分能量只是集中在某一部分系數(shù)上。只要重構(gòu)出這些系數(shù)就可以較好的重構(gòu)目標(biāo)物體圖像。因此，壓縮鬼成像就應(yīng)運(yùn)而生。壓縮鬼成像主要利用了目標(biāo)物體圖像的稀疏性，利用遠(yuǎn)低于奈奎斯特采樣率的采樣值就可以較好的重構(gòu)目標(biāo)物體圖像。壓縮鬼成像的成像質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍，甚至可以實(shí)現(xiàn)超分辨率成像，采樣率也大大降低。另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，壓縮鬼成像可以與其他圖像處理技術(shù)，如超分辨率重建相結(jié)合進(jìn)一步提高成像質(zhì)量和成像分辨率。但是壓縮鬼成像的缺點(diǎn)是重構(gòu)復(fù)雜度較高，重構(gòu)性能還不是很穩(wěn)定。近兩年，隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，基于深度學(xué)習(xí)的單像素成像也被學(xué)者們提出來(lái)，也有一些文章發(fā)表。深度學(xué)習(xí)鬼成像首先對(duì)目標(biāo)物體圖像進(jìn)行大規(guī)模學(xué)習(xí)，得（下轉(zhuǎn)第265頁(yè)）（上接第263頁(yè)）到訓(xùn)練模型，重構(gòu)時(shí)利用這些深度模型進(jìn)行重構(gòu)，進(jìn)一步提高質(zhì)量。但是計(jì)算復(fù)雜度也是要考慮的問(wèn)題。

通過(guò)以上分析可以看出，鬼成像的性能有了很大的提高，成像系統(tǒng)也得到了簡(jiǎn)化，離實(shí)際應(yīng)用更進(jìn)一步。但是現(xiàn)有鬼成像還存在一些亟待解決的問(wèn)題。

（1）基于壓縮感知的鬼成像方法重構(gòu)復(fù)雜度較高。由于壓縮重構(gòu)算法本身重構(gòu)復(fù)雜度較高，特別是較大分辨率目標(biāo)物體圖像，現(xiàn)有壓縮鬼成像重構(gòu)時(shí)間和空間復(fù)雜度很高，在一般電腦上面無(wú)法正常重構(gòu)。因?yàn)閮?nèi)存不夠或者時(shí)間太慢。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，自適應(yīng)鬼成像和分塊成像是目前可以進(jìn)一步研究的方向，以降低重構(gòu)復(fù)雜度。

（2） 重構(gòu)性能穩(wěn)定性還不夠好。雖然壓縮感知方法提高了成像質(zhì)量和成像穩(wěn)定性，但是壓縮重構(gòu)的性能依賴(lài)于選取的測(cè)量矩陣是否能夠較好的滿(mǎn)足壓縮重構(gòu)的條件。并且重構(gòu)的過(guò)程是在無(wú)數(shù)個(gè)解中尋找最優(yōu)解。在某些情況下可能會(huì)有出錯(cuò)的概率，因?yàn)閴嚎s重構(gòu)成功也有一定的概率。如何提高重構(gòu)性能穩(wěn)定性是下一步研究的重點(diǎn)。

2結(jié)語(yǔ)

本文從鬼成像成像系統(tǒng)和成像算法入手，分析了鬼成像這二三十年來(lái)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，總結(jié)出鬼成像的發(fā)展思路是從量子光源到普通熱光源到計(jì)算鬼成像，再到壓縮鬼成像，最后到目前的深度學(xué)習(xí)鬼成像。成像系統(tǒng)不斷簡(jiǎn)化，成像質(zhì)量不斷提高，成像方法也逐步智能。但是鬼成像還需要進(jìn)一步降低重構(gòu)復(fù)雜度，提高成像性能穩(wěn)定性，并與現(xiàn)有的深度學(xué)習(xí)等圖像處理的新技術(shù)結(jié)合起來(lái)，向縱深發(fā)展。下一步需要考慮不同應(yīng)用場(chǎng)景下的壓縮鬼成像的具體發(fā)展思路，因?yàn)椴煌瑧?yīng)用場(chǎng)景對(duì)算法的要求是不一樣的。對(duì)不同場(chǎng)景的圖像特征和類(lèi)型進(jìn)行深度分析，總結(jié)出規(guī)律，指導(dǎo)相應(yīng)的成像算法設(shè)計(jì)。還要結(jié)合人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化成像，并與目標(biāo)檢測(cè)等成像后續(xù)處理相結(jié)合，提高不同應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)性。鬼成像在軍事、遙感、醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域都有較大的應(yīng)用前景，可以從這幾個(gè)方向進(jìn)行重點(diǎn)研究，尋求突破。

基金項(xiàng)目：四川省教育廳項(xiàng)目（18ZB0277）。

參考文獻(xiàn)

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[2] Padgett， M.&R.Aspden;&G.Gibson.Matthew; Edgar and Gabe Spalding. Ghost imaging[J]. OPTICS & PHOTONICS NEWS， 2016（02）：40-45.