三維(wei)光學成像：開啟立(li)體(ti)視(shi)覺(jiao)新(xin)時代

　　在(zai)圖像和(he)視覺(jiao)領(ling)域(yu)，傳(chuan)統(tong)的(de)二(er)維(wei)成像技(ji)術(shu)已(yi)逐(zhu)漸(jian)不(bu)能(neng)滿(man)足日(ri)益增(zeng)長(chang)的(de)需(xu)求(qiu)。隨著科(ke)技(ji)的(de)進(jin)步，壹(yi)種(zhong)能(neng)夠(gou)提供更加(jia)豐富(fu)、真實世界(jie)感(gan)知(zhi)的(de)技(ji)術(shu)——三(san)維(wei)光學成像正(zheng)逐(zhu)漸(jian)走(zou)進(jin)我(wo)們(men)的(de)生(sheng)活(huo)，並(bing)在(zai)多(duo)個(ge)行(xing)業發(fa)揮(hui)著重(zhong)要(yao)作(zuo)用(yong)。

　　壹(yi)、什麽是(shi)三維(wei)光學成像？

　　（壹）定義(yi)與背景

　　 通過(guo)使(shi)用(yong)光學手段(duan)來(lai)捕(bu)捉(zhuo)物體或(huo)場景的(de)空(kong)間(jian)結(jie)構(gou)信(xin)息(xi)（即(ji)x、y、z三(san)個(ge)維(wei)度的(de)信(xin)息(xi)），並(bing)將其轉(zhuan)化(hua)為(wei)數(shu)字(zi)模型的(de)過(guo)程(cheng)。相比傳(chuan)統(tong)二(er)維(wei)圖像，三維成像不(bu)僅(jin)提供了長(chang)度和(he)寬(kuan)度的(de)信(xin)息(xi)，還(hai)包(bao)含(han)了深(shen)度信(xin)息(xi)，使(shi)得(de)我(wo)們(men)能(neng)以(yi)更接(jie)近(jin)真實的(de)視(shi)角(jiao)觀(guan)察(cha)和(he)分析(xi)目(mu)標(biao)對(dui)象(xiang)。

　　這種(zhong)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展得(de)益於(yu)近年來(lai)光學工程(cheng)、計(ji)算機科(ke)學以及算法(fa)優(you)化等(deng)多(duo)個(ge)領(ling)域(yu)的(de)進(jin)步。它不(bu)僅(jin)僅是(shi)壹項(xiang)技(ji)術(shu)創(chuang)新(xin)，更是(shi)對人類(lei)如(ru)何理解(jie)和(he)互動(dong)於(yu)周(zhou)圍(wei)環境(jing)的(de)壹(yi)種(zhong)全(quan)新(xin)探(tan)索(suo)。

　　（二(er)）工作(zuo)原理

　　實現(xian)光學成像的(de)方(fang)法(fa)多(duo)樣(yang)，主(zhu)要(yao)包括(kuo)激光掃描(miao)、結(jie)構(gou)光投影(ying)、飛(fei)行(xing)時間(jian)（TimeofFlight,ToF）、雙(shuang)目(mu)或多(duo)視圖(tu)立(li)體(ti)匹配等。每(mei)種(zhong)方(fang)法(fa)都有其特點和(he)適用(yong)範圍(wei)：

　　激光掃描(miao)：利(li)用(yong)精(jing)確(que)控(kong)制(zhi)的(de)激(ji)光束逐(zhu)點掃描(miao)被測物體表(biao)面，記(ji)錄反(fan)射(she)信(xin)號的(de)時間(jian)差(cha)或相位(wei)變(bian)化(hua)來(lai)計(ji)算距離(li)。

　　結(jie)構(gou)光投影(ying)：通(tong)過向目(mu)標(biao)投(tou)射(she)特(te)定(ding)模式(shi)的(de)光線（如(ru)條紋或(huo)點陣(zhen)），然(ran)後(hou)根(gen)據(ju)這些(xie)模式(shi)在(zai)物體表(biao)面上產(chan)生(sheng)的(de)變(bian)形(xing)情(qing)況(kuang)重(zhong)建三維形(xing)狀。

　　飛(fei)行(xing)時間(jian)法(fa)（ToF）：測量光脈(mai)沖從(cong)發(fa)射(she)到返回接(jie)收(shou)器(qi)所(suo)需的(de)時間(jian)，以(yi)此(ci)來(lai)確(que)定(ding)物體的(de)距(ju)離(li)。

　　雙(shuang)目(mu)或多(duo)視圖(tu)立(li)體(ti)匹配：模仿(fang)人類(lei)雙(shuang)眼視覺(jiao)原理，利(li)用(yong)兩臺(tai)或多(duo)臺(tai)相機從(cong)不(bu)同(tong)角(jiao)度拍攝同(tong)壹場景，再通過(guo)軟件(jian)算法比(bi)較兩張圖片(pian)之(zhi)間(jian)的(de)差(cha)異來(lai)推斷深(shen)度信(xin)息(xi)。
 

　　二(er)、應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)

　　（壹）健(jian)康

　　在(zai)醫學(xue)領(ling)域(yu)，光學成像技(ji)術(shu)為(wei)醫(yi)生(sheng)提供了更為(wei)準(zhun)確(que)的(de)診(zhen)斷工具(ju)。例(li)如(ru)，在(zai)整形外(wai)科(ke)中(zhong)，3D掃描(miao)可(ke)以(yi)幫(bang)助醫(yi)生(sheng)更好(hao)地(di)規(gui)劃手術方案(an)；在(zai)牙(ya)科中，口腔內(nei)部(bu)的(de)三(san)維(wei)建模可(ke)以(yi)用(yong)於(yu)定制(zhi)假(jia)牙(ya)和(he)矯(jiao)正(zheng)器(qi)具(ju)的(de)設(she)計(ji)。此(ci)外(wai)，對(dui)於(yu)皮(pi)膚(fu)病變(bian)的(de)檢(jian)測(ce)，三(san)維(wei)成像能(neng)夠(gou)提供比傳(chuan)統(tong)二(er)維(wei)照片(pian)更為(wei)詳細(xi)的(de)表(biao)面紋(wen)理和(he)顏色(se)變(bian)化(hua)信(xin)息(xi)，有(you)助(zhu)於(yu)早期(qi)發(fa)現(xian)疾(ji)病。

　　（二(er)）工業制(zhi)造(zao)

　　在(zai)制(zhi)造(zao)業中(zhong)，光學成像被廣泛應(ying)用(yong)於(yu)產(chan)品(pin)質(zhi)量檢測、逆向(xiang)工程(cheng)及自動(dong)化生(sheng)產(chan)線上。它可(ke)以(yi)快(kuai)速(su)準(zhun)確(que)地(di)獲(huo)取(qu)產(chan)品(pin)的(de)外(wai)形(xing)尺寸(cun)，確(que)保(bao)每(mei)個(ge)部(bu)件(jian)都符合(he)設(she)計(ji)要(yao)求(qiu)。特(te)別(bie)是(shi)在(zai)汽(qi)車(che)制(zhi)造(zao)、電(dian)子(zi)設(she)備組(zu)裝(zhuang)等(deng)行(xing)業，三(san)維成像技(ji)術(shu)大(da)大(da)提高了生(sheng)產(chan)的(de)精(jing)度和(he)效率，降(jiang)低了人為(wei)錯(cuo)誤(wu)的(de)可(ke)能(neng)性(xing)。

　　（三(san)）文(wen)化遺產(chan)保護

　　文(wen)化遺產(chan)的(de)保(bao)護是(shi)三維(wei)光學成像另(ling)壹個(ge)重(zhong)要(yao)應用(yong)場景。通過(guo)對(dui)古(gu)建築、雕塑(su)乃至(zhi)整個(ge)歷(li)史遺址(zhi)進(jin)行高精(jing)度的(de)三(san)維(wei)掃描(miao)，不(bu)僅(jin)可(ke)以(yi)保存(cun)文(wen)物的(de)現(xian)狀(zhuang)資(zi)料，還(hai)能(neng)為(wei)修(xiu)復(fu)工作(zuo)提供重(zhong)要(yao)的(de)參(can)考(kao)依據(ju)。

　　（四）娛樂(le)與(yu)媒(mei)體(ti)

　　電影制(zhi)作(zuo)、視頻(pin)遊(you)戲(xi)開發(fa)等(deng)領(ling)域(yu)也越來(lai)越多(duo)地采(cai)用(yong)光學成像技(ji)術(shu)。例(li)如(ru)，《阿凡達(da)》等大(da)片(pian)背後(hou)的(de)制(zhi)作(zuo)就離(li)不(bu)開(kai)這項技(ji)術(shu)的(de)支持。通過三(san)維(wei)捕(bu)捉(zhuo)演員的(de)動(dong)作(zuo)和(he)表情(qing)，結(jie)合(he)虛(xu)擬角(jiao)色生(sheng)成逼(bi)真的(de)動(dong)畫效果(guo)。而在(zai)虛(xu)擬現實（VR）和(he)增強(qiang)現(xian)實(shi)（AR）體驗(yan)中，三維(wei)成像則為(wei)用(yong)戶(hu)提供了沈(chen)浸(jin)式(shi)的(de)交(jiao)互(hu)平(ping)臺(tai)，使他們(men)仿(fang)佛置身於(yu)另(ling)壹個(ge)世(shi)界(jie)之(zhi)中(zhong)。
 

　　三、未(wei)來(lai)展望(wang)

　　展望(wang)未(wei)來(lai)，隨著硬(ying)件(jian)性(xing)能(neng)的(de)提升(sheng)、算法的(de)改(gai)進(jin)以(yi)及雲計(ji)算、5G等新(xin)興(xing)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展，光學成像有望變(bian)得(de)更加(jia)普及和(he)高效。預計(ji)在(zai)未(wei)來(lai)幾(ji)年內(nei)，我(wo)們(men)將看到更多(duo)創新(xin)性(xing)的(de)應(ying)用(yong)場景出(chu)現(xian)，比(bi)如(ru)智能(neng)交(jiao)通(tong)系統(tong)中的(de)車(che)輛(liang)自動(dong)導(dao)航、智能(neng)家居(ju)中的(de)環(huan)境(jing)感(gan)知(zhi)等(deng)等(deng)。同(tong)時，隨著人工智能(neng)與(yu)機(ji)器(qi)學(xue)習(xi)技(ji)術(shu)的(de)深(shen)度融(rong)合(he)，三(san)維光學成像將不(bu)僅(jin)僅局(ju)限(xian)於(yu)簡單(dan)的(de)數(shu)據(ju)采集，而是(shi)向著智能(neng)化(hua)決(jue)策(ce)支持方向邁(mai)進(jin)，為(wei)各(ge)行(xing)各(ge)業帶(dai)來(lai)更多(duo)的(de)可(ke)能(neng)性(xing)。
 

　　總(zong)之(zhi)，光學成像作(zuo)為(wei)壹(yi)項(xiang)前沿(yan)技(ji)術(shu)，正(zheng)逐(zhu)步改(gai)變(bian)著我(wo)們(men)認識(shi)世界(jie)的(de)方(fang)式(shi)。無(wu)論(lun)是(shi)科學(xue)研究(jiu)還是(shi)日(ri)常(chang)生(sheng)活(huo)，它都將為(wei)我(wo)們(men)打開(kai)壹扇通往(wang)更加(jia)豐富(fu)多(duo)彩世界(jie)的(de)窗(chuang)戶(hu)。