壓縮光譜成像系統(tǒng)中物理實現(xiàn)架構(gòu)研究綜述

李云輝

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所, 吉林 長春 130033）

1 引 言

傳統(tǒng)相機除獲取代表場景強度的二維空間信息外，對光譜信息的采集僅涵蓋紅、綠、藍(RGB)3 個通道，而作為新興科學(xué)研究與工程應(yīng)用的有效技術(shù)手段，光譜成像具備采集場景空間-光譜數(shù)據(jù)立方體的能力，其中增添的高分辨光譜通道信息為目標探測、識別、分析提供了更為精細的差異化特征，在軍事安全、環(huán)境監(jiān)測、生物科學(xué)、醫(yī)療診斷、食品檢驗等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

然而，面對三維光譜圖像數(shù)據(jù)立方體，現(xiàn)有陣列探測器單次只能捕獲其中的二維子集，剩余維度需借助空間展開或時間掃描方式進行探測。根據(jù)數(shù)據(jù)采集過程差異，傳統(tǒng)光譜成像設(shè)備大體可分為濾光型光譜儀、掃描型光譜儀和干涉型光譜儀3 類[1]。濾光型光譜儀在每次曝光時使用濾光輪或可調(diào)諧濾光器采集單譜段內(nèi)的全空間分辨率圖像，多個譜段信息采集需分時切換完成，犧牲了時間分辨率。其中的陣列式濾光器雖然實現(xiàn)了空間-光譜信息的快照式采集，但犧牲了靈敏度和空間分辨率。相比之下，掃描型光譜儀每次曝光時采集的是光譜-空間數(shù)據(jù)，而另外一個空間維度信息需通過掃描方式獲取，犧牲了時間分辨率，同時涉及更多的機械運動過程和校準復(fù)雜性。干涉型光譜儀與濾光型光譜儀類似，同樣需要光譜掃描過程，且其復(fù)雜性和精度要求使其系統(tǒng)構(gòu)建和校準難度較大。因此在基于奈奎斯特-香農(nóng)采樣定律的完備采樣光譜成像系統(tǒng)框架下，始終面臨空間、光譜、時間分辨率和靈敏度指標之間的矛盾。此外，隨著光譜分辨率或空間分辨率提升，以完備采樣方式對數(shù)據(jù)立方體獲取還會引入更長采集時間代價和海量數(shù)據(jù)存儲及傳輸壓力。有限的時間分辨率也嚴重制約了動態(tài)場景的光譜成像應(yīng)用。

這些傳統(tǒng)光譜成像系統(tǒng)忽略了自然場景在空間和光譜維度上的相關(guān)性，而其所帶來的信息冗余為更高效的光譜圖像數(shù)據(jù)采集提供了可能。近年來壓縮感知理論指導(dǎo)下的壓縮欠采樣成像系統(tǒng)在應(yīng)對大尺度、高維度圖像數(shù)據(jù)采集中發(fā)揮了積極作用，其通過特定的信息編碼調(diào)制手段，可以遠低于奈奎斯特-香農(nóng)采樣定律要求的采集量實現(xiàn)高質(zhì)量數(shù)據(jù)重構(gòu)[2-4]。在具備高冗余性的光譜成像應(yīng)用中，部分壓縮光譜成像系統(tǒng)甚至可實現(xiàn)快照式采集，這大大縮短了信號獲取時間，提高了時間分辨率，而且信息混疊采樣方式也帶來靈敏度的提升。

壓縮光譜成像系統(tǒng)涉及物理實現(xiàn)架構(gòu)、離散建模、編碼調(diào)制優(yōu)化、稀疏表達、系統(tǒng)校準、重構(gòu)算法等諸多技術(shù)層面[5]。其中特定的光路設(shè)計和可用的編碼調(diào)制器件是系統(tǒng)硬件實現(xiàn)的前提，也決定了系統(tǒng)性能上限。鑒于此，本文從硬件角度切入，旨在對現(xiàn)有壓縮光譜成像系統(tǒng)物理架構(gòu)這一子問題進行全面梳理與討論。首先，介紹了各種編碼調(diào)制光學(xué)器件及對光譜圖像數(shù)據(jù)的調(diào)制效應(yīng)，進而在其基礎(chǔ)上闡述了各類系統(tǒng)架構(gòu)和多個變種型式，并從信號調(diào)制角度對不同的采樣方案進行描述、歸納。最后，討論了壓縮光譜成像系統(tǒng)物理架構(gòu)約束下的若干共性問題。希望這些分析和討論不僅能為讀者提供關(guān)于壓縮光譜成像的新見解，也可以為新型光譜成像系統(tǒng)設(shè)計和對現(xiàn)有方法改進帶來啟發(fā)。

2 壓縮光譜成像數(shù)學(xué)模型

壓縮光譜成像技術(shù)包含前端光學(xué)信息調(diào)控與后端數(shù)字信號計算重構(gòu)兩個階段，其中前者依賴于光學(xué)系統(tǒng)物理架構(gòu)，是本文論述的重點。前端光學(xué)調(diào)控的基本思想是通過對空間-光譜數(shù)據(jù)立方體的編碼調(diào)制，并通過下采樣提取目標場景的有效信息，進而再借助后端重構(gòu)算法實現(xiàn)場景信息重建。前向調(diào)制及采樣過程抽象為如下數(shù)學(xué)表述：

其中g(shù)為采樣結(jié)果，f為原始目標場景，H為光學(xué)調(diào)控所對應(yīng)的測量矩陣。多種系統(tǒng)架構(gòu)對圖像信息的調(diào)控過程會形成不同的測量矩陣形式，從而造成了理論模型間的差異性。

由于上述前向過程是欠定的，在后端數(shù)字信號處理過程中，需要借助重構(gòu)算法求解如下優(yōu)化問題：

其中第一項為保真項，||·||2表示L2范數(shù)；第二項Γ(·)為正則項，表征目標信號的先驗信息，τ為其權(quán)重系數(shù)。

3 光學(xué)調(diào)制器件

壓縮光譜成像系統(tǒng)中對空間和光譜信息的調(diào)制通常需要在光學(xué)路徑中完成，而這就需要光學(xué)器件為其實現(xiàn)提供支撐。全自由度信息調(diào)制使系統(tǒng)具有更高的靈活性和更深的優(yōu)化空間，然而在高維度信息處理時通常也會付出高昂代價，或受限于物理器件水平而喪失可行性，取而代之的是有限自由度的結(jié)構(gòu)化調(diào)制方案。基于此，現(xiàn)有光學(xué)器件對光譜-圖像數(shù)據(jù)立方體信息處理涉及調(diào)制(Modulation)、剪切(Shearing)、復(fù)用(Multiplexing)、分割(Unmixing)、復(fù)制(Duplicating)等多個操作。

最為常用的空間調(diào)制器件為光刻掩模板，將其置于光學(xué)路徑中的不同位置可實現(xiàn)多樣的幅值調(diào)制過程，放置于光學(xué)像面與光譜面處可分別實現(xiàn)空間信息調(diào)制與光譜信息調(diào)制，置于二者中間則可實現(xiàn)空間-光譜混合調(diào)制。在此基礎(chǔ)上衍生出的灰度模板可以實現(xiàn)多灰度級幅值調(diào)制，彩色編碼模板可以實現(xiàn)每個空間位置的差異化光譜調(diào)制。可時變調(diào)整的空間光調(diào)制器(Spatial Light Modulator, SLM)包含液晶(Liquid Crystal Display, LCD)、硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCoS)、數(shù)字微鏡陣列(Digital Micromirror Device,DMD)等，它們可實現(xiàn)更為靈活的幅值、相位、光譜調(diào)制。如：DMD 和LCoS 常置于像面處用于實現(xiàn)0/1 幅值調(diào)制；LCD 或變形鏡(Deformable Mirror, DM)通常置于光瞳處進行相位調(diào)制以生成目標點擴散函數(shù)(Point Spread Function, PSF)分布，從而實現(xiàn)空間信息復(fù)用調(diào)制。此外，采取電壓調(diào)控還能夠使LCD 具備透射光譜調(diào)制能力。

更高效的光學(xué)器件甚至具備獨立實現(xiàn)空間-光譜圖像信息調(diào)制能力，從而簡化系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)緊湊化、微型化設(shè)計。如：利用法布里-珀羅諧振器陣列(Fabry-Perot Resonators Array, FPRA)可實現(xiàn)像素級差異化光譜調(diào)制；利用衍射濾波器陣列(Diffractive Filter Array, DFA)與散射介質(zhì)(Scattering Medium, SM)可實現(xiàn)空間信息復(fù)用調(diào)制，并且依靠不同波長PSF 的各異性可實現(xiàn)光譜差異化調(diào)制。

剪切、分割、復(fù)制等操作也可為信息調(diào)制過程提供輔助作用。其中，剪切操作用于在低維信息一致化調(diào)制基礎(chǔ)上，從高維度角度開展差異化調(diào)制。如通過光柵或棱鏡色散實現(xiàn)空間-光譜數(shù)據(jù)立方體的“傾斜”化。通過壓電陶瓷驅(qū)動編碼模板可實現(xiàn)剪切位移，通過更為靈活的可時變SLM 可從時間維度實現(xiàn)差異化調(diào)制。空間復(fù)制操作便于對目標場景進行空間并行化調(diào)制，進而實現(xiàn)快照模式下的多重采樣功能。如采用外表面鍍膜反射鏡組(First-Surface Mirrors, FSMs)及透鏡陣列方式進行空間復(fù)制，實現(xiàn)并行差異化調(diào)制，也可以通過分束棱鏡實現(xiàn)多探測器并行采樣。光譜分割操作可通過單色光譜照明或液晶可調(diào)諧濾波器(Liquid Crystal Tunable Filters，LCTF)實現(xiàn)。上述光學(xué)器件對信息的調(diào)制效應(yīng)如圖1（彩圖見期刊電子版）所示。

圖1 光學(xué)器件對信息的調(diào)制效應(yīng)Fig. 1 Modulation effects of optical devices on information

4 系統(tǒng)架構(gòu)型式

在上一小節(jié)中所述的光學(xué)調(diào)制器件支撐下，各種器件配置組合與信息調(diào)制方案層出不窮。本節(jié)重點闡述各類系統(tǒng)架構(gòu)及其多個變種型式。依據(jù)信息調(diào)制過程，可劃分為單像素光譜成像(Multispectral Single Pixel Imager, MSPI)、編碼孔徑光譜成像(Coded Aperture Snapshot Spectral Imager, CASSI)、空間-光譜雙重編碼光譜成像(Dual-Coded Spectral Imager, DCSI)、微陣列型光譜成像、散射介質(zhì)光譜成像等幾大類，每個類別中還含有多種改進型式。

4.1 單像素光譜成像

單像素相機(Single Pixel Camera, SPC)是壓縮感知理論在成像領(lǐng)域最早、最典型的應(yīng)用，大多光譜成像系統(tǒng)均是在其基礎(chǔ)架構(gòu)上擴展而來的。圖2（彩圖見期刊電子版）為多種衍生系統(tǒng)架構(gòu)型式，為了更好地可視化，將相應(yīng)的對空間-光譜三維數(shù)據(jù)立方體的調(diào)制及降維投影過程繪制在其右側(cè)，其中系統(tǒng)架構(gòu)中關(guān)鍵光學(xué)調(diào)制器件與其對數(shù)據(jù)立方體的調(diào)制效果如圖中虛線所示。如圖2(a)所示，在基于DMD 的SPC 基礎(chǔ)框架下，通過將光電二極管替換為光譜儀，對單像素采集的信息進行光譜分割，就完成了一種壓縮光譜成像系統(tǒng)的構(gòu)建[6-11]。系統(tǒng)中具體的光信號路徑為：目標場景經(jīng)物鏡聚焦于DMD 上，經(jīng)DMD 對全光譜數(shù)據(jù)空間調(diào)制后，再由中繼鏡組投射到光譜儀上，經(jīng)光譜分割后，最終通過線陣探測器完成信息采集。此時各譜段的空間信息被同步調(diào)制，而光譜信息則保持常規(guī)采集模式，這種機制可視為一種并行光譜采集，因光譜維度未壓縮而使分辨率得到保證，但也因光譜信息未調(diào)制而限制了采樣率縮減。如圖2(b)所示，作為后端光譜儀的一種替代方案，索津莉團隊通過對照明光進行空間調(diào)制，并利用SLM 與探測器采樣速率的差異性，在照明光路的光譜面實施光譜調(diào)制，進而在相鄰兩個SLM 調(diào)制更新期間，利用探測器的多個采樣結(jié)果經(jīng)傅立葉分解直接得到光譜成分信息[12]。系統(tǒng)中具體的光信號路徑為：寬譜照明光源首先經(jīng)SLM 完成空間調(diào)制，然后由衍射光柵與透鏡組合將光信號壓縮為一維光譜條帶，并由轉(zhuǎn)輪帶動透過率以正弦規(guī)律變化的圖案實現(xiàn)光譜調(diào)制，這樣分別經(jīng)空間調(diào)制和光譜調(diào)制的光束照射到目標物體上，最終通過桶狀探測器完成采集。值得說明的是，探測器在相鄰兩個SLM 更新期間完成了多次采樣，由于不同光譜經(jīng)歷了不同時間頻率的調(diào)制，這些采樣結(jié)果所繪制的曲線經(jīng)傅立葉分解后，可以提取出每個譜段的強度信息，從而間接實現(xiàn)了光譜分割。對于每個譜段均可以看作是一個典型的SPC。該系統(tǒng)巧妙利用光譜傅立葉調(diào)制，實現(xiàn)光譜成像的同時保留了單像素優(yōu)勢，然而這也使其構(gòu)成稍顯復(fù)雜。

圖2 單像素光譜成像系統(tǒng)架構(gòu)及相應(yīng)的空間-光譜數(shù)據(jù)立方體調(diào)制過程：(a) 基于光譜儀的單像素光譜成像儀；(b) 空間-光譜調(diào)制單像素光譜成像儀；(c) 光譜分離單像素光譜成像儀；(d) 空間-光譜調(diào)制光譜成像儀Fig. 2 Single pixel spectral imaging system architecture and its corresponding spatial-spectral data cube modulation diagram.(a) Spectrometer-based single pixel spectral imager; (b) spatial-spectral modulation single-pixel spectral imager;(c) spectral unmixing single pixel spectral imager; (d) spatial-spectral modulation spectral imager

為實現(xiàn)更靈活的空間-光譜信息調(diào)制，研究人員提出一種單像素系統(tǒng)型式，如圖2(c)所示。通過光譜分離器將不同光譜沿空間維度平鋪，并采用SLM 并行差異化調(diào)制，進而通過單像素完成采集[13-14]。系統(tǒng)中具體的光信號路徑為：寬譜照明光源經(jīng)帶通濾光片濾除帶外信號后，照射到目標物體上，物體反射光束經(jīng)物鏡與準直鏡傳遞到光譜分離器中，其輸出的不同譜段光束經(jīng)成像透鏡聚焦于DMD 不同區(qū)域，經(jīng)DMD 對每個譜段進行差異性調(diào)制后，最終通過光電二極管完成采集。這種以空間換時間的方式有效提升了時間分辨率。另一種系統(tǒng)型式如圖2(d)所示，通過SLM在頻域內(nèi)調(diào)制實現(xiàn)空間信息復(fù)用，并采用光纖進行空間離散下采樣，進而再借助棱鏡與DMD 組合實現(xiàn)光譜調(diào)制，最終采用線陣探測器完成空間-光譜復(fù)用調(diào)制信息的采集[15]。系統(tǒng)中具體的光信號路徑為：首先在由兩個傅立葉透鏡組成的4-f系統(tǒng)中，采用SLM 在其頻譜面內(nèi)調(diào)制。經(jīng)4-f 系統(tǒng)輸出的光信號聚焦于光線捆束的輸入端，由后者實現(xiàn)離散下采樣并整理成一維線陣形式。在該一維光信號經(jīng)棱鏡色散后的光譜面內(nèi)，采用DMD 實施光譜調(diào)制，并由柱狀透鏡重新匯聚，最終通過線陣探測器完成采集。然而這種空間下采樣方式會造成一定的光能量損失。

4.2 編碼孔徑光譜成像

4.2.1 基本型式

編碼孔徑光譜成像儀(CASSI)及其衍生型式如圖3（彩圖見期刊電子版）所示。單色散(Single Disperser, SD)-CASSI 開創(chuàng)了壓縮光譜成像系統(tǒng)的先河，如圖3(a)所示，該系統(tǒng)通過前端物鏡將目標場景成像于編碼孔徑平面內(nèi)，采用固定編碼掩模板對每個波長均執(zhí)行一致的空間調(diào)制，并通過色散元件對數(shù)據(jù)立方體進行光譜剪切，進而再投影到探測器焦平面，其捕獲數(shù)據(jù)包含一維空間信息與光譜信息的復(fù)用[16-18]。系統(tǒng)中具體的光信號路徑為：目標場景經(jīng)物鏡聚焦于編碼孔徑處，經(jīng)編碼掩模板調(diào)制后，再由中繼鏡組投射到棱鏡，經(jīng)棱鏡色散剪切處理的信號最后通過中繼鏡組投影到面陣探測器上。

作為上述系統(tǒng)更早期版本的雙重色散(Dual Disperser, DD)-CASSI，如圖3(b)所示。其由兩個通常用作傳統(tǒng)色散光譜儀的4-f 型色散臂串聯(lián)組成，兩臂對稱排列，根據(jù)光路可逆性，第二個臂恰好抵消前者引入的色散。該系統(tǒng)第一個色散臂將輸入圖像成像于中間分割面，并且由棱鏡色散實現(xiàn)光譜剪切。經(jīng)置于該位置的固定編碼掩模板空間調(diào)制后，再由第二個色散臂執(zhí)行逆剪切操作，使不同譜段圖像重新重合，進而完成不同光譜的差異性空間調(diào)制[19]。系統(tǒng)中具體的光信號路徑為：目標場景首先經(jīng)中繼鏡入射到第一個色散棱鏡，再經(jīng)中繼鏡將色散光信號聚焦于編碼孔徑處。經(jīng)該處編碼掩模板調(diào)制后的光信號，繼續(xù)通過中繼鏡入射到第二個色散棱鏡，該棱鏡將抵消前一棱鏡引入的色散效應(yīng)，并最終經(jīng)中繼鏡投影到面陣探測器上。相比于SD 版本，該系統(tǒng)構(gòu)建復(fù)雜，需要9 個光學(xué)器件，且校準難度大。但因為各光譜圖像采樣時空間重合，DD 版本僅復(fù)用光譜信息，這一方面使其保留了空間分塊并行重構(gòu)處理的可行性，從而給加速圖像重構(gòu)帶來優(yōu)勢；另一方面也因不含空間信息復(fù)用，降低了其維持低采樣率的能力。相比較而言，DD 版本更適于高空間分辨率、低光譜分辨率的應(yīng)用場合。

為保留DD-CASSI 系統(tǒng)的優(yōu)勢，同時降低系統(tǒng)構(gòu)建復(fù)雜度，ZHAO ZH X 等人提出了一種基于反射光路的緊湊改進型，如圖3(b)虛線框內(nèi)所示，相較于原始DD-CASSI 系統(tǒng)，采用一個棱鏡先后執(zhí)行兩次色散，從而使系統(tǒng)器件數(shù)量和規(guī)模減少一半[20]。

圖3 CASSI 系統(tǒng)基本型式：(a) 單色散CASSI；(b) 雙色散CASSIFig. 3 Basic types of CASSI system. (a) SD-CASSI; (b) DD-CASSI

4.2.2 彩色編碼孔徑型式

在常規(guī)DMD“開”、“關(guān)”調(diào)制基礎(chǔ)上，利用其高速開關(guān)斬波操作，可等效實現(xiàn)不同灰度級的空間幅值調(diào)制，提升動態(tài)范圍[21-22]。進一步地，采用彩色編碼孔徑模板(Colored Coded Aperture, CCA)的C(Colored)-CASSI 系統(tǒng)，如圖4(a)（彩圖見期刊電子版）所示，一步實現(xiàn)了空間-光譜信息調(diào)制，不僅提高了圖像重構(gòu)質(zhì)量，而且借助彩色模板與棱鏡色散對光譜信息的共同作用，能夠重構(gòu)得到更高的光譜分辨率[23-30]。系統(tǒng)中具體的光信號路徑為：目標場景經(jīng)物鏡聚焦于CCA，其調(diào)制后的信號由中繼鏡投射到棱鏡，經(jīng)棱鏡色散剪切處理后，最終再通過中繼鏡投影到面陣探測器上。若將CCA 移動到色散元件后的探測器焦平面上，就構(gòu)成了一種壓縮光譜圖案式快照成像儀(Compressive Spectral Patterned Snapshot Imager, CSPSI)，如圖4(b)（彩圖見期刊電子版）所示。該系統(tǒng)交換了對光譜圖像數(shù)據(jù)的調(diào)制順序，雖然產(chǎn)生與原始C-CASSI 系統(tǒng)相異的調(diào)制效果，但仍然保證了有效的空間-光譜信息調(diào)制與復(fù)用。這種架構(gòu)相當于將CCA 嵌入到探測器中，實現(xiàn)了更為緊湊的設(shè)計[31-34]。系統(tǒng)中具體的光信號路徑為：目標場景先由中繼鏡投射到棱鏡上，經(jīng)棱鏡色散的信號再通過中繼鏡投影到緊鄰CCA 的面陣探測器上。另一種基于CCA 的型式是采用DM 和嵌入CCA的探測器組合，如圖4(c)（彩圖見期刊電子版）所示。這種型式省去了色散元件，由DM 通過波前調(diào)整實現(xiàn)空間信息復(fù)用，進而再通過CCA 實現(xiàn)光譜調(diào)制與復(fù)用[35]。系統(tǒng)中具體的光信號路徑為：目標場景光束經(jīng)透鏡組準直后投射到DM 上，經(jīng)波前調(diào)制后的反射光信號再通過分束棱鏡反射到嵌入CCA 的面陣探測器上。相比于CSPSI 系統(tǒng)，該系統(tǒng)對空間信息復(fù)用調(diào)制更充分，因而信息采集更高效，具備維持更低采樣率的能力。將DM 替換為隨機相位板也可實現(xiàn)同樣的信息調(diào)制效果[36]。

圖4 CASSI 系統(tǒng)彩色編碼孔徑型式：(a) 彩色CASSI；(b) 壓縮光譜圖案式快照成像儀；(c) 基于變形鏡的CSPSI Fig. 4 Colored coded aperture types of CASSI system. (a) C-CASSI; (b) CSPSI; (c) DM-based CSPSI

4.2.3 光譜分割型式

除采用CCA 實現(xiàn)光譜調(diào)制復(fù)用外，也常直接采用逐個光譜分割型式。如圖5（彩圖見期刊電子版）中左上圖所示，通過LCTF 將光譜沿時間維度展開，實現(xiàn)光譜分時處理，進而基于LCTF 對光譜隨機切換與DMD 的時變空間調(diào)制進行組合，實現(xiàn)空間-光譜信息調(diào)制[37-38]。系統(tǒng)中具體的光信號處理流程為：目標場景經(jīng)物鏡入射到LCTF 內(nèi)，由其透過特定譜段光信號，并通過中繼鏡聚焦于編碼孔徑處，經(jīng)DMD 調(diào)制后該特定譜段的數(shù)據(jù)最終經(jīng)中繼鏡投影到面陣探測器上。在探測器的一次曝光期間，上述過程多次執(zhí)行，LCTF 與DMD 同步更新，從而實現(xiàn)對不同譜段信息的差異化調(diào)制。

圖5 CASSI 系統(tǒng)光譜分割型式Fig. 5 Spectral unmixing type of CASSI system

另一種類似的光譜分割型式是基于LED(Light Emitting Diode)的壓縮時間-光譜成像儀(LED-based Compressive Spectral-Temporal Imager,LeSTI)，如圖5 中左下圖所示。該系統(tǒng)借助多個單色LED 照明實現(xiàn)各光譜場景的分時呈現(xiàn)，并在各光譜呈現(xiàn)期間通過DMD 對其進行差異化調(diào)制[39]。系統(tǒng)中具體的光信號處理流程為：經(jīng)光譜標定的LED 依次照射目標場景，反射光束經(jīng)中繼鏡聚焦于編碼孔徑處，經(jīng)DMD 調(diào)制后，含有該LED 光譜譜段的數(shù)據(jù)再經(jīng)中繼鏡投影到面陣探測器上。同樣地，LED 照明與DMD 同步更新，實現(xiàn)對不同譜段信息的差異化調(diào)制。這兩種系統(tǒng)型式對空間-光譜數(shù)據(jù)立方體的調(diào)制效應(yīng)本質(zhì)上是一致的，它們的優(yōu)勢在于通過依次對分割后的光譜處理，可實現(xiàn)更靈活的信息調(diào)制操作，但隨之而來的是調(diào)制步驟繁瑣，耗用了更多采集時間，使系統(tǒng)對動態(tài)場景應(yīng)用場合的適用性變差。

4.2.4 編碼可調(diào)整型式

對于光譜豐富或空間紋理細膩的場景，單次拍攝(Snapshot)采集信息往往不夠充分，圖像重構(gòu)質(zhì)量難以得到保證。此時就需要多重拍攝(Multi-shots)來增加信息采集量，而且要保證每次拍攝時信息調(diào)制的各異性。一種系統(tǒng)型式是編碼孔徑敏捷式光譜成像儀(Code Aperture Agile Spectral Imager, CAASI)。其在CASSI 基礎(chǔ)架構(gòu)上，通過使用壓電陶瓷驅(qū)動固定光刻掩模板進行微位移移動來等效空間調(diào)制時變性，或采用DMD 來實現(xiàn)更為靈活的時變調(diào)整等型式，對每幀采集提供差異化的信息調(diào)制，滿足多幀調(diào)制與采集需求[40-44]。另一種型式如圖6（彩圖見期刊電子版）所示。在前面所述的CSPSI 系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過旋轉(zhuǎn)色散元件實現(xiàn)信息調(diào)制差異性調(diào)整[45]。此時系統(tǒng)中光信號處理與工作流程為：目標場景先由中繼鏡投射到棱鏡上，經(jīng)棱鏡色散的信號再通過中繼鏡投影到嵌入CCA 的面陣探測器上。每次曝光將棱鏡置于不同角度，以圖6 所示為例，分別在0°、90°、180°與270°各拍攝一次，等效實現(xiàn)了對同一目標場景的4 次拍攝。值得注意的是，采用多重拍攝來提升圖像重構(gòu)質(zhì)量的同時，也不可避免地降低了時間分辨率。

圖6 CASSI 系統(tǒng)編碼可調(diào)整型式Fig. 6 Coding adjustable type of CASSI system

4.2.5 多幀互補采集型式

在面對復(fù)雜目標場景時，一方面想通過調(diào)整調(diào)制過程，多重拍攝采集來提高采樣率，更充分地捕獲場景信息，進而提升圖像重構(gòu)質(zhì)量；另一方面要避免因多重拍攝引入的采集時間加長，時間分辨率降低的弊端。為此學(xué)者們探究了多種并行化多幀采集型式以提高CASSI 的性能，同時保持其快照優(yōu)勢，如圖7（彩圖見期刊電子版）所示。一種典型方式如圖7(a)所示，通過在CASSI 物鏡前放置分束器，使得同一場景可以由CASSI 系統(tǒng)與全色或彩色相機同時拍攝。這種未經(jīng)調(diào)制的原始圖像與CASSI 采集結(jié)果相結(jié)合，能夠有效提升光譜圖像重構(gòu)精度，且相比于CASSI 的兩幀采集重構(gòu)結(jié)果更具優(yōu)勢[46-47]。系統(tǒng)中具體的光信號路徑為：目標場景首先經(jīng)分束鏡分為兩個獨立通道，其中一個通道為基礎(chǔ)的SD-CASSI 系統(tǒng)架構(gòu)，由物鏡將目標聚焦于編碼孔徑處，經(jīng)編碼掩模板調(diào)制后，再由中繼鏡投射到棱鏡上，經(jīng)棱鏡色散處理后的信號通過中繼鏡投影到面陣探測器上；另一通道則直接通過物鏡將目標成像于Bayer 排列的彩色探測器上。然而，為將兩探測器采樣結(jié)果統(tǒng)一到聯(lián)合模型中，需要對兩個光路進行嚴苛的幾何對準及響應(yīng)標定，這無疑增大了系統(tǒng)復(fù)雜度，而且分光操作將導(dǎo)致入射到CASSI 系統(tǒng)的光能量損失一半。

全色圖像的獲取并不一定需要額外光路分光來實現(xiàn)，如圖7(b)所示，HIUBU?EK J.等人就提出了一種僅用一個探測器同時捕獲CASSI 圖像和全色圖像的方案。在常規(guī)光柵色散應(yīng)用中，采用一級衍射實現(xiàn)CASSI 的光譜剪切操作，而容易被忽略的零級衍射可用于獲取全色圖像[48-50]。系統(tǒng)中具體的光信號路徑為：經(jīng)白光LED 光源照射的目標場景，其反射光線經(jīng)物鏡聚焦于DMD 上，經(jīng)空間調(diào)制后通過衍射光柵分別將零級與一級衍射圖案投影在面陣探測器的不同區(qū)域。其中零級衍射圖案等效于全色探測器采集的圖像，一級衍射圖案等效于基礎(chǔ)SD-CASSI 系統(tǒng)采集的圖像。即便如此，上述系統(tǒng)型式也只能在快照時間內(nèi)實現(xiàn)兩幀數(shù)據(jù)采集，利用零級衍射的雙孔徑版本實現(xiàn)了兩個調(diào)制模式下4 幀信息的快照式采集[51]，但這仍然是十分有限的。

圖7 CASSI 系統(tǒng)多幀互補采集型式：(a) 雙相機CASSI；(b) 零級與一級衍射CASSIFig. 7 Multi-frame complementary acquisition type of CASSI system. (a) Dual-camera CASSI; (b) 0th and 1st order diffraction CASSI

4.2.6 多幀陣列采集型式

為實現(xiàn)更多幀數(shù)據(jù)的快照式采集，以空間復(fù)制操作為基礎(chǔ)，同步執(zhí)行差異化調(diào)制是行之有效的思路。JEON D S 等人提出了一種基于圖像倍增器的系統(tǒng)型式，如圖8(a)（彩圖見期刊電子版）所示。在該系統(tǒng)中，前端物鏡將目標場景投射到漫反射屏上，該圖像由反射鏡組復(fù)制為3×3 陣列，并投影到CASSI 系統(tǒng)中編碼模板的不同區(qū)域，實現(xiàn)了9 幀數(shù)據(jù)的差異化調(diào)制與并行采集[52]。系統(tǒng)中具體的光信號路徑為：目標場景經(jīng)物鏡投影到漫反射屏，漫反射屏發(fā)出的光束由反射鏡組復(fù)制為陣列后，經(jīng)中繼鏡組分別聚焦于編碼孔徑的不同區(qū)域。每一組信號經(jīng)空間調(diào)制后，均由中繼鏡組投射到色散棱鏡上，最后中繼鏡再將色散后信號投影到面陣探測器上。另一種型式為多重視圖彩色編碼孔徑快照式光譜成像儀(Multiview Colored CASSI, MC-CASSI)，如圖8(b)（彩圖見期刊電子版）所示。該系統(tǒng)在DD-CASSI 基礎(chǔ)上，采用微透鏡陣列實現(xiàn)了目標場景的空間復(fù)制，具備更多幀數(shù)據(jù)的同步采集能力[53-54]。系統(tǒng)中具體的光信號路徑為：目標場景首先經(jīng)物鏡與微透鏡陣列復(fù)制為多組光束信號，這些信號并行入射到基礎(chǔ)DD-CASSI 系統(tǒng)內(nèi)，每組信號彼此沒有混疊，最終在探測器上不同區(qū)域采集的是每組信號獨立調(diào)制的結(jié)果。多幀陣列采集的基本思想是以空間并行代替時間串行操作，保證了高時間分辨率，但也因此引入一些弊端，如每幀采集的光能量嚴重下降，編碼孔徑模板與探測器的空間分辨率需求上升等。

圖8 CASSI 系統(tǒng)多幀陣列采集型式：(a) 圖像倍增CASSI；(b) 透鏡陣列CASSIFig. 8 Multi-frame array acquisition type of CASSI system. (a) Image multiplier CASSI; (b) lenslet array CASSI

4.3 空間-光譜雙重編碼光譜成像

CASSI 系統(tǒng)主要在空間像面處執(zhí)行編碼，而對光譜則采用剪切或分割操作，來輔助實現(xiàn)空間-光譜數(shù)據(jù)立方體的調(diào)制。相比較而言，雙重編碼孔徑光譜成像儀(DCSI)則是在光學(xué)路徑中分別構(gòu)建空間像面與光譜面，并在兩處執(zhí)行獨立的編碼調(diào)制。如圖9(a)（彩圖見期刊電子版）所示的DCSI 系統(tǒng)為雙臂架構(gòu)，由空間調(diào)制臂和光譜調(diào)制臂串聯(lián)組成。在空間調(diào)制臂中，物鏡將目標場景投射到DMD 上，由其實現(xiàn)空間調(diào)制。在隨后的光譜調(diào)制臂中，采用衍射光柵對空間調(diào)制后信息進行色散，并在其光譜面安裝LCoS 實現(xiàn)光譜調(diào)制[55-57]。系統(tǒng)中具體的光信號路徑為：目標場景首先經(jīng)物鏡聚焦于DMD，在此完成空間調(diào)制后，再由中繼鏡投射到衍射光柵，在衍射光柵形成的光譜面內(nèi)，放置LCoS 進行光譜調(diào)制。最終反射光線再經(jīng)分束鏡反射投影到面陣探測器上。通過空間調(diào)制與光譜調(diào)制的組合，DCSI 可實現(xiàn)更為靈活的調(diào)制模式，相較于CASSI 系統(tǒng)具備更好的性能。

圖9 DCSI 系統(tǒng)架構(gòu)：(a) 雙重編碼孔徑光譜成像儀；(b) 空間-光譜編碼壓縮成像儀Fig. 9 Architecture of DCSI System. (a) DCSI; (b) SSCSI

然而，DCSI 系統(tǒng)中需要兩個SLM 器件，這使系統(tǒng)實現(xiàn)的硬件代價和校準變得復(fù)雜。空間-光譜編碼壓縮成像儀(Spatial-Spectral Encoded Compressive Spectral Imager, SSCSI)如圖9(b)（彩圖見期刊電子版）所示。其在前者基礎(chǔ)上，將編碼孔徑模板安裝于探測器前的微小偏移處，即置于空間像面與光譜面之間，針對目標場景空間維和光譜維進行混合調(diào)制，省去了DMD 與LCoS 器件，使系統(tǒng)得到簡化[58-61]。

4.4 微陣列型光譜成像

光譜成像儀的小型化、微型化是未來發(fā)展趨勢之一，微陣列型的壓縮光譜成像系統(tǒng)架構(gòu)為緊湊型設(shè)計提供了可能。如圖10(a)（彩圖見期刊電子版）中左上圖所示，AUGUST I.等人利用特殊設(shè)計的液晶單元 (Liquid Crystal Cell, LCC)貼附于探測器表面，在傳統(tǒng)成像系統(tǒng)基礎(chǔ)上形成了一種緊湊型超光譜成像儀(Miniature Ultra Spectral Imager, MUSI)。通過改變施加在LCC 兩端的電壓，可以調(diào)節(jié)與波長相關(guān)的透過性，進而直接在光譜域內(nèi)實現(xiàn)光譜調(diào)制，而無需將其轉(zhuǎn)換到空間內(nèi)再進行間接調(diào)制，使系統(tǒng)得到簡化[62-64]。需要說明的是，由于探測器上所有像素執(zhí)行相同的光譜調(diào)制過程，信息捕獲需要分時多次操作，無法實現(xiàn)快照式采集。它的并行化版本有兩種型式，一種型式如圖10(a)中左中圖所示，將來自目標場景的入射光束準直后，由陷波濾波器陣列進行光譜調(diào)制，并經(jīng)透鏡陣列并行投射到探測器上；另一種型式如圖10(a)中左下圖所示，采用法布里-珀羅諧振器陣列(FPRA)與透鏡陣列組合的多孔徑設(shè)計，首先通過透鏡陣列對目標場景進行復(fù)制，接著布里-珀羅諧振器陣列(FPRA)利用其光譜透過性對每組目標場景進行差異化光譜調(diào)制，最終并行投射到探測器上[65-66]。上述系統(tǒng)的一種改進型式如圖10(b)（彩圖見期刊電子版）所示。采用像素級法FPRA 設(shè)計，無需透鏡陣列，每個 FPRA 利用其光譜透過性對目標場景每個像素進行差異化光譜調(diào)制，從而實現(xiàn)像素級空間-光譜調(diào)制[66]。然而如此微小的FPRA 制造難度較大。

圖10 微陣列型光譜成像架構(gòu)：(a) 左上為緊湊型超光譜成像儀，左中為陷波濾波器陣列光譜成像儀，左下為基于FPRA 陣列的光譜成像儀；(b) 像素級FPRA 陣列光譜成像儀Fig. 10 Architecture of microarray spectral imaging. (a) Top left is the MUSI，middle left is the notch filter array spectral imager，bottom left is FPRA-based spectral imager；(b) pixel-level FPRA-based spectral imager

4.5 散射介質(zhì)光譜成像

散射在光學(xué)成像中通常被視為一種阻礙成像質(zhì)量提升的負面因素，然而在計算成像中卻作為一種有效的信息調(diào)制工具。散射介質(zhì)常用來制造彌散的PSF 分布，以實現(xiàn)二維空間信息復(fù)用，從而通過陣列探測器實現(xiàn)并行化信息調(diào)制與采樣。由于每個探測像素采樣中包含全部目標場景信息，可以大大降低采樣數(shù)量。在此基礎(chǔ)上，借助不同深度信息的PSF 差異性可以實現(xiàn)3-D 空間數(shù)據(jù)調(diào)制，同理，借助散射介質(zhì)對光譜的敏感性，利用不同譜段的PSF 差異性可實現(xiàn)空間-光譜信息調(diào)制。如圖11（彩圖見期刊電子版）所示，通過在入射光瞳處安裝光譜的敏感的光學(xué)擴散器或散射介質(zhì)，實現(xiàn)不同光譜的PSF 差異化分布，從而在成像探測器處提供擴散及色散的(Diffused and Dispersed, DD)目標圖像，完成快照式光譜圖像數(shù)據(jù)采集[67-70]。也可采用衍射濾波器陣列(DFA)代替散射介質(zhì)實現(xiàn)相同的調(diào)制過程，并帶來更高的通光效率[71-72]。這種光譜成像型式的優(yōu)勢在于系統(tǒng)組成簡單、結(jié)構(gòu)緊湊，信息調(diào)制更充分，散射介質(zhì)對光譜的敏感性也使其具備更高的光譜分辨能力。但介質(zhì)散射也通常意味著低可控性，需要依賴高精度標定來獲得系統(tǒng)傳輸矩陣，且對誤差十分敏感，輕微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化就會導(dǎo)致散射介質(zhì)模型快速失效，從而不得不進行新的測量與建模。這種低魯棒性給實際工程應(yīng)用帶來麻煩。

圖11 散射介質(zhì)光譜成像架構(gòu)Fig. 11 Architecture of spectral imaging through scattering media

4.6 各系統(tǒng)型式總結(jié)

在對各類系統(tǒng)架構(gòu)及其多個變種型式分別介紹后，在該小節(jié)將對上述所有系統(tǒng)進行梳理、歸納，并對每個系統(tǒng)型式所對應(yīng)的空間-光譜數(shù)據(jù)立方體的調(diào)制方式以及相應(yīng)物理實現(xiàn)器件做出明確說明，如表1 所示。

表1 各系統(tǒng)型式特征總結(jié)Tab.1 Summary of the characteristics of each system type

5 共性問題討論

在充分了解各型壓縮光譜成像系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)之上，本節(jié)對其系統(tǒng)架構(gòu)背后的信息編碼調(diào)制問題展開幾點討論，以挖掘掩藏在內(nèi)部的設(shè)計思想，為新型系統(tǒng)設(shè)計提供指導(dǎo)。

5.1 信息復(fù)用度

壓縮光譜成像系統(tǒng)涉及兩個空間維度、一個光譜維度的信息采集，在將三維數(shù)據(jù)立方體投影到二維陣列探測器時，必然要經(jīng)歷降維過程。針對這個問題，一種方式是引入額外維度，如沿空間或時間維度展開；另一種方式就是將調(diào)制后的信息混疊采樣。后者帶來的低數(shù)據(jù)采集量是壓縮成像的技術(shù)優(yōu)勢所在。信息復(fù)用也由此帶來兩個關(guān)注點：

（1） 采樣效率。信息復(fù)用程度越高，即每個采樣結(jié)果中包含了更多維度的信息，則使系統(tǒng)具備更高的采樣效率，這也意味著能夠以更低的采樣率獲得可觀的圖像質(zhì)量，反之亦然。但信息復(fù)用度并不是越高越好，還要與系統(tǒng)應(yīng)用目標相匹配，在非復(fù)用維度內(nèi)的信息采集通常是相對充分且完整的，這也就保證了該維度信息的重構(gòu)質(zhì)量，即使以降低整體采樣效率為代價。舉例來說，DD-CASSI 系統(tǒng)中只復(fù)用了光譜信息，空間信息保留相對完整，因此相較于SD 版本，其更適合高空間分辨率、低光譜分辨率的應(yīng)用場合。

（2） 可分塊重構(gòu)性。源特性雖然不在本文論述范圍，但需要強調(diào)的是：壓縮成像領(lǐng)域的圖像獲取實時性一直受重構(gòu)算法計算復(fù)雜度瓶頸影響，未得到有效解決，尤其對于大規(guī)模信息重構(gòu)時愈發(fā)嚴重。除借助GPU 等并行化計算處理器件外，直接對采樣模型進行分塊化處理，以降低矩陣運算規(guī)模是更有效的方式。而且低尺度的分塊模型也使稀疏冗余字典學(xué)習(xí)變得可用，對提高重構(gòu)質(zhì)量有利。然而信息復(fù)用度越高，對應(yīng)模型中測量矩陣的稠密度越高，則模型拆分就越困難。這也是采用高信息復(fù)用度方案來提升采樣效率的同時，引入的負面影響。

5.2 調(diào)制自由度

各型壓縮光譜成像系統(tǒng)架構(gòu)對應(yīng)理論模型中不同測試矩陣型式，調(diào)制自由度體現(xiàn)為測量矩陣中元素的取值范圍以及矩陣結(jié)構(gòu)化型式。例如，對于DD-CASSI 系統(tǒng)來說，編碼孔徑對相鄰譜段的空間編碼只平移一個位移單位，這形成了譜段間編碼差異性的強約束；而對于DSCI 系統(tǒng)來說，第一編碼孔徑對不同譜段執(zhí)行一致的空間編碼，另一編碼孔徑又在光譜域內(nèi)實現(xiàn)光譜編碼，二者組合可以形成更靈活的調(diào)制，因此相比于前者來說，可以獲得更優(yōu)異的性能。更高自由度將使系統(tǒng)具備更大的編碼優(yōu)化潛力，以感知矩陣互相關(guān)性為理論指導(dǎo)的測量矩陣優(yōu)化能夠收獲更好的效果。但高自由度預(yù)示著低結(jié)構(gòu)化矩陣型式，這給圖像重構(gòu)算法執(zhí)行中帶來了巨大的數(shù)據(jù)存儲及計算代價。對于高維度數(shù)據(jù)壓縮采樣來說，采用維度可分離調(diào)制型式，并借助Kronecker 模型簡化重構(gòu)算法是一種有效路徑[73-74]。

5.3 系統(tǒng)校準

相比于傳統(tǒng)成像系統(tǒng)來說，壓縮成像系統(tǒng)通常會額外引入用于信息調(diào)制的光學(xué)器件，而實際光學(xué)調(diào)制過程與數(shù)學(xué)模型的匹配度決定了重構(gòu)算法的執(zhí)行效果。為準確獲取系統(tǒng)前向采樣模型，系統(tǒng)校準難度及方法都是系統(tǒng)設(shè)計時需預(yù)先考慮的問題。在一個壓縮成像系統(tǒng)中，都至少存在著編碼器件與探測器像素采樣的空間對準要求。在涉及空間信息復(fù)用的PSF 調(diào)制中，嚴格的PSF 標定也是保證采樣模型精度的關(guān)鍵。而對于采用分束鏡等器件來實現(xiàn)信息空間復(fù)制時，各子圖像的信息一致性需要嚴格校準，不僅包含幾何空間對準，還存在視角、光透過率等差異性的補償。

5.4 技術(shù)指標權(quán)衡

與傳統(tǒng)光譜成像系統(tǒng)中空間、光譜、時間分辨率和靈敏度指標的矛盾類似，壓縮光譜成像系統(tǒng)雖然相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)極大地解放了這些指標間的相互制約，但就其在計算成像領(lǐng)域內(nèi)，相對而言，仍然需要在各指標間做出權(quán)衡。例如，采用空間復(fù)制方式實現(xiàn)并行化調(diào)制采集，雖然保證了圖像重構(gòu)質(zhì)量又不犧牲時間分辨率，但卻降低了通光效率，且極大地增加了系統(tǒng)硬件代價。而采用分時多幀采集方式時，又使其因時間分辨率下降對動態(tài)場景變得不再適用。

因此，即使在壓縮感知理論下，設(shè)計出的各項指標均令人滿意的完美系統(tǒng)仍然是不可行的。系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)面向?qū)嶋H應(yīng)用，依據(jù)性能指標優(yōu)先級，并考慮系統(tǒng)構(gòu)建成本、難度來綜合衡量。系統(tǒng)設(shè)計沒有最好，只有更適用。

6 結(jié)論與展望

從最早提出的CASSI 系統(tǒng)算起，壓縮光譜成像已歷經(jīng)十幾載，雖然得益于光學(xué)器件的發(fā)展，各種新型系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，但客觀來說，現(xiàn)階段仍然處于發(fā)展機遇期，還有眾多技術(shù)難點亟待突破。目前多數(shù)研究仍處于原理驗證階段，無論從系統(tǒng)性能指標方面，還是應(yīng)用穩(wěn)定性與兼容性方面，距離商用化落地還有相當?shù)奶嵘臻g。如光譜圖像分辨率、質(zhì)量仍然不能令人滿意，器件成本過高，系統(tǒng)復(fù)雜度高，校準難度大，魯棒性不夠理想，大規(guī)模圖像重構(gòu)的算法實時性等問題仍面臨巨大挑戰(zhàn)。但作為涉及光學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機、信號處理等多學(xué)科交叉融合的技術(shù)領(lǐng)域，技術(shù)手段和理論工具的選擇空間足夠廣闊。同時，各種微納光學(xué)器件的加入，以及以深度學(xué)習(xí)為代表的數(shù)據(jù)驅(qū)動算法，都為其注入了強大動力。更可喜的是，眾多國內(nèi)外優(yōu)秀學(xué)者正投身其中并不懈努力，筆者相信這會加速挖掘該技術(shù)領(lǐng)域潛藏的巨大能量。

在提升性能與實用性的同時，壓縮光譜成像也正向更高維度拓展，快照式壓縮光譜成像已經(jīng)實現(xiàn)視頻率光譜圖像信息采集。若將時間維度信息加入到系統(tǒng)調(diào)制與壓縮進程，將帶來空間-光譜-時間的4-D 數(shù)據(jù)采集能力，從而獲得更高的時間分辨率。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的壓縮超快光譜成像技術(shù)(Compressed Ultrafast Spectral-Temporal,CUST)已經(jīng)實現(xiàn)萬億幀率，這對瞬態(tài)物理過程或醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用具有重要意義[75-77]。甚至引入深度等信息的5-D 數(shù)據(jù)采集也已開始被研究。此外，以應(yīng)用為導(dǎo)向，通過與特定應(yīng)用需求整合，并革新傳統(tǒng)“采樣-重構(gòu)-識別”為直接采樣識別，規(guī)避復(fù)雜重構(gòu)算法，也將是壓縮光譜成像技術(shù)發(fā)展的重要路徑之一。