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傳統(tǒng)相機(jī)鏡頭為了追求極致清晰，往往依靠復(fù)雜堆疊的多片透鏡。如何在確保畫質(zhì)的同時(shí)讓鏡頭變得更薄、更輕，已成為單反相機(jī)、智能手機(jī)、航拍無(wú)人機(jī)乃至醫(yī)療內(nèi)窺鏡發(fā)展的共同瓶頸。近年來(lái)，計(jì)算成像技術(shù)帶來(lái)曙光，它允許鏡頭“偷點(diǎn)懶”，靠后續(xù)算法來(lái)修補(bǔ)鏡頭像差導(dǎo)致的“先天不足”，但如何精準(zhǔn)地指導(dǎo)鏡頭設(shè)計(jì)，使其與算法高效協(xié)同，是計(jì)算光學(xué)成像前沿領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)侯晴宇教授團(tuán)隊(duì)從人類視覺(jué)的奧秘中獲得靈感，提出一種名為“光學(xué)注意力機(jī)制”的新技術(shù)。這項(xiàng)突破讓相機(jī)鏡頭也能像人眼一樣，學(xué)會(huì)“選擇性專注”。該技術(shù)有望使鏡頭打破“高性能必然伴隨大體積”的傳統(tǒng)桎梏，邁入輕薄、高清、智能的新時(shí)代。相關(guān)成果近日發(fā)表在光學(xué)領(lǐng)域期刊《光學(xué)》（《Optica》）上。

人眼堪稱自然進(jìn)化的成像奇跡

人眼成像是一個(gè)復(fù)雜而高效的過(guò)程。光線照射到物體表面后反射進(jìn)入眼睛，然后經(jīng)過(guò)瞳孔這一“智能光圈”調(diào)節(jié)進(jìn)光量，并由晶狀體完成精細(xì)聚焦。光線經(jīng)過(guò)眼內(nèi)結(jié)構(gòu)的折射后，在視網(wǎng)膜上形成倒立的實(shí)像。視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞主要包括兩種：約600萬(wàn)—700萬(wàn)個(gè)視錐細(xì)胞和7500萬(wàn)—1.5億個(gè)視桿細(xì)胞。視錐細(xì)胞負(fù)責(zé)感知顏色與細(xì)節(jié)，視桿細(xì)胞負(fù)責(zé)適應(yīng)弱光。它們通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電化學(xué)信號(hào)。

隨后，視神經(jīng)將這些信號(hào)傳遞至大腦枕葉的視覺(jué)皮層。大腦并非簡(jiǎn)單接收?qǐng)D像，而是會(huì)對(duì)這些圖像信息進(jìn)行篩選和增強(qiáng)處理，結(jié)合記憶與經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行解析，最終形成我們感知到的視覺(jué)世界。這一由物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為視覺(jué)感知的過(guò)程包含了光學(xué)、化學(xué)、神經(jīng)處理等領(lǐng)域，可以說(shuō)是一個(gè)成像奇跡。

相比如今動(dòng)輒數(shù)片透鏡的攝像頭，人眼似乎僅用晶狀體這“單片透鏡”就實(shí)現(xiàn)了清晰成像，顯然要高效得多。但實(shí)際上，由于光學(xué)像差的存在，僅通過(guò)單片透鏡很難實(shí)現(xiàn)完美成像，人眼在視網(wǎng)膜上的直接成像結(jié)果也會(huì)模糊，需要經(jīng)過(guò)大腦處理才能得到清晰的視覺(jué)感知。

然而，人類視網(wǎng)膜以約每秒8.96兆比特的速度接收數(shù)據(jù)，但大腦高級(jí)視皮層的處理能力有限，為了快速形成清晰的視覺(jué)感知，人類視覺(jué)形成了注意力機(jī)制。人眼觀察世界并非“一視同仁”，當(dāng)我們注視他人時(shí)，大腦會(huì)集中處理對(duì)方的面部表情和眼神等視覺(jué)信息，而背景則會(huì)相對(duì)模糊，這種注意力機(jī)制使得人眼能夠通過(guò)精巧的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高效的信息獲取。

光學(xué)注意力機(jī)制提升圖像生成效率

能否從人類視覺(jué)注意力這種智能、高效的處理方式中獲取靈感，對(duì)如今日益復(fù)雜龐大的光學(xué)鏡頭進(jìn)行簡(jiǎn)化呢？侯晴宇團(tuán)隊(duì)深入挖掘計(jì)算光學(xué)成像機(jī)理，成功將這種選擇性注意力機(jī)制巧妙地移植到光學(xué)設(shè)計(jì)中。

不同于以往光學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)鏡頭完美成像的追求，研究團(tuán)隊(duì)提出的光學(xué)注意力機(jī)制不再苛求鏡頭每個(gè)部分都清晰成像，而是像人類視覺(jué)那樣選擇性關(guān)注部分成像能力，再通過(guò)復(fù)原算法進(jìn)行信息補(bǔ)償。這樣一來(lái)，無(wú)需通過(guò)復(fù)雜的鏡片組合校正光學(xué)像差，也能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量成像。

那么，光學(xué)注意力機(jī)制是如何引導(dǎo)鏡頭設(shè)計(jì)的呢？團(tuán)隊(duì)成員譚凡教教授介紹，傳統(tǒng)的鏡頭設(shè)計(jì)要求鏡片不同區(qū)域都盡可能匯聚光線，如同要求團(tuán)隊(duì)每個(gè)成員都成為“全能冠軍”，而這往往需要大量資源、效率低下。光學(xué)注意力機(jī)制則像一位高明的“教練”，先評(píng)估每位“隊(duì)員”的天賦：對(duì)于那些天生聚光能力強(qiáng)的區(qū)域，將其確立為“主力隊(duì)員”，即“注意力區(qū)域”來(lái)重點(diǎn)優(yōu)化，確保它們能捕捉最關(guān)鍵的細(xì)節(jié)信息；對(duì)于那些天生不擅長(zhǎng)聚焦的“非注意力區(qū)域”，則不再要求它們?nèi)ネ瓿刹豢赡艿娜蝿?wù)，而是引導(dǎo)它們將光線折射到一些特定的、不影響整體畫質(zhì)的位置，避免“幫倒忙”。

這種“抓大放小、物盡其用”的設(shè)計(jì)哲學(xué)，使鏡頭在設(shè)計(jì)之初，就有選擇地保住了圖像中最核心的高頻信息，為后續(xù)復(fù)原算法的修復(fù)反演提供了關(guān)鍵線索。

消費(fèi)電子工業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)辟新空間

這項(xiàng)技術(shù)最直觀的產(chǎn)業(yè)化前景，在于消費(fèi)電子領(lǐng)域，特別是智能手機(jī)中。

手機(jī)攝像頭高分辨率與輕薄化一直是一對(duì)矛盾。侯晴宇團(tuán)隊(duì)選取了一個(gè)典型的手機(jī)鏡頭模組進(jìn)行驗(yàn)證。該模組原由6片透鏡精密組合而成，總長(zhǎng)度約為5.4毫米。應(yīng)用光學(xué)注意力機(jī)制進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)后，在保持相同視野、焦距和進(jìn)光量的前提下，研究團(tuán)隊(duì)成功地將透鏡數(shù)量減少為4片，總長(zhǎng)度也壓縮至4.4毫米。“這意味著手機(jī)的攝像頭可以做得更薄，為電池、散熱等其他重要元件騰出寶貴空間，讓手機(jī)整體設(shè)計(jì)更加優(yōu)雅?！焙钋缬畋硎?，或許在不久的將來(lái)，搭載頂級(jí)影像系統(tǒng)的智能手機(jī)，其后置模組凸起將成為歷史。

更令人驚喜的是，簡(jiǎn)化鏡頭直接拍攝的原始圖像經(jīng)過(guò)與之匹配的智能算法修復(fù)后，最終成像的清晰度、對(duì)比度與現(xiàn)有的復(fù)雜鏡頭系統(tǒng)幾乎不相上下?！斑@證明，通過(guò)光學(xué)硬件與計(jì)算軟件的深度聯(lián)合，完全可以在簡(jiǎn)化物理結(jié)構(gòu)的同時(shí)，獲得媲美乃至超越傳統(tǒng)的高清畫質(zhì)，為消費(fèi)電子的工業(yè)設(shè)計(jì)打開(kāi)新的想象空間?！焙钋缬钫f(shuō)。

該技術(shù)的另一大魅力，在于它能“點(diǎn)石成金”，極大地釋放簡(jiǎn)單光學(xué)元件的潛力。我們生活中常見(jiàn)的放大鏡、貓眼門鏡等單片透鏡，因難以校正像差，成像往往扭曲模糊，傳統(tǒng)優(yōu)化方法試圖讓單透鏡面面俱到，結(jié)果往往是各方面表現(xiàn)平平。

“應(yīng)用光學(xué)注意力機(jī)制能夠使單透鏡徹底‘逆襲 ’?！弊T凡教解釋道，光學(xué)注意力機(jī)制先識(shí)別并強(qiáng)化單透鏡自身聚光能力最好的核心區(qū)域，同時(shí)引導(dǎo)其他區(qū)域的光線為核心區(qū)域成像服務(wù)，而非形成干擾。經(jīng)過(guò)優(yōu)化與算法處理，廉價(jià)單透鏡的成像質(zhì)量實(shí)現(xiàn)了飛躍，其細(xì)節(jié)分辨率相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法提升超過(guò)50%。

這意味著，未來(lái)在安防監(jiān)控?cái)z像頭、物聯(lián)網(wǎng)傳感器、膠囊內(nèi)窺鏡等對(duì)成本和體積極為敏感的領(lǐng)域，有可能采用極其簡(jiǎn)單的鏡頭。這些簡(jiǎn)單鏡頭配合云端或終端的智能算法，能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)去只有昂貴復(fù)合鏡頭才能達(dá)到的成像效果，從而大幅降低成本，推動(dòng)智能視覺(jué)在更多場(chǎng)景的普及。

光學(xué)注意力機(jī)制為計(jì)算成像的產(chǎn)業(yè)化鋪設(shè)了一條高速通道。在醫(yī)療領(lǐng)域，更微小、更清晰的內(nèi)窺鏡將幫助醫(yī)生更精準(zhǔn)地實(shí)施微創(chuàng)手術(shù)；在自動(dòng)駕駛中，低功耗、可隱藏于車身的超清攝像頭將提升車輛的環(huán)境安全感知能力；在AR、VR設(shè)備上，輕便舒適的形態(tài)將成為可能。

當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)走向大規(guī)模應(yīng)用仍需跨越一些障礙，包括生產(chǎn)工藝的適配、算法優(yōu)化的效率以及與傳統(tǒng)系統(tǒng)的兼容性等問(wèn)題，需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)共同協(xié)作解決?！暗梢灶A(yù)見(jiàn)，這種仿生智能的光學(xué)設(shè)計(jì)思想，正帶領(lǐng)我們走向一個(gè)設(shè)備更隱形、視覺(jué)更清晰、智能更普及的未來(lái)?！焙钋缬钫f(shuō)。