DiffuserCam无透镜相机由传感器和放置在它前面的漫射体组成(图里夸大显示了凹凸不平的漫射体表面)。该系统将三维场景转换为传感器上的二维图像。在一次校准后，采用算法经过计算可以重建三维图像。其结果体现为一个基于二维图像重建的三维图像。来源：Laura Waller，加利福尼亚大学伯克利分校

　　研究人员已经开发出一种易于制作的相机，它可以在没有任何透镜的情况下从单个二维图像生成三维图像。研究人员最先计划使用这种称为DiffuserCam的新相机，在没有显微镜的情况下，观察活体小鼠中的显微神经元活动。最终，三维抓拍的应用程序可能会广泛采用这项技术。

　　该相机结构紧凑，成本低廉，因为它仅由一个漫射体组成 —— 基本上是一块带有凸起的塑料 —— 放置在图像传感器的顶部。虽然硬件结构简单，但是重建高分辨率三维图像的软件却是复杂的。

　　“DiffuserCam照相机一次拍摄即可采集一个高分辨率、大容量的三维物体信息，”加利福尼亚大学伯克利分校研究小组负责人Laura Waller说。“我们认为该相机可以用于无人驾驶汽车，它拍摄的三维信息能够提供尺度感，或者它可以与机器学习算法相结合，实现人脸检测、人的跟踪或物体的自动分类。”

　　在光学学会的高影响力研究杂志《Optica》上，研究人员表示，DiffuserCam可以从130万像素的图像重建1亿体素或三维像素，而无需进行任何扫描。相比之下，iPhone X相机拍摄的照片是1200万像素。研究人员使用该相机捕捉一个小植物叶片的三维结构。

　　“我们的新相机是一个很好的实例，它可以用来研究如何采用计算成像的方式一起使用硬件和软件来设计成像系统。”Waller说。“我们共同努力确保硬件既简单又便宜。虽然该软件非常复杂，但它可以很容易地复制或分散使用，使得其他人能够在家中使用这种类型的照相机。”

　　DiffuserCam照相机可以通过使用任何类型的图像传感器来创建，成像范围从微观物体到一个人大小都可以覆盖。当物体靠近传感器时，它可以提供几十微米范围内的分辨率。尽管分辨率随着场景到传感器距离的增大而下降，但是例如当它在分辨相距照相机几英尺距离上的人与其他人时，该相机仍然具有足够高的分辨率。

　　一种复杂成像的简单方法

　　DiffuserCam与光场相机相关，它捕获图像传感器上每个像素点所照射的光量以及光线照射到该像素的角度。在典型的光场相机中，位于传感器前方的微小透镜阵列用于捕捉入射光的方向，从而能够实现计算方法重新聚焦并创建三维图像，而无需采用获取三维信息通常所需的扫描步骤。

　　到目前为止，由于在采集方向信息时某些空间信息丢失，所以光场相机的空间分辨率受到了限制。这些相机的另一个缺点是微透镜阵列价格昂贵，必须为用于成像的特定相机或光学部件进行定制。

　　“我想看看我们能否用简单而便宜的硬件达到同样的成像能力。”Waller说。“如果我们有更好的算法，经过精心设计、昂贵的微透镜阵列是否可以用塑料表面来替代，如一块表面凹凸不平的塑料?”

　　Waller实验室的学生Nick Antipa和Grace Kuo在对各种类型的漫射体进行试验并开发出复杂的算法之后，发现Waller关于简单的光场相机的想法是可行的。事实上，在隐私玻璃贴纸、透明胶带或塑料会徽上使用随机凸起，然后研究人员通过压缩传感以避免典型的微透镜阵列分辨率损失，这样可以提高传统光场相机的能力。

　　虽然其他光场相机使用的透镜阵列是经过精确设计和对准的，但是新相机漫射体中凸起的尺寸和形状却是未知的。这意味着在成像之前必须获得一些移动光点的图像来校准软件。研究人员正在研究一种通过使用原始数据进行校准而免去此校准步骤的方法。他们还希望提高软件的精度，提高三维重建速度。

　　研究人员使用的DiffuserCam对一个小的植物叶片进行三维结构重建。他们计划在没有显微镜的情况下，使用新的摄像机观察活体老鼠的神经元。来源：Laura Waller, 加利福尼亚大学伯克利分校

　　无需显微镜

　　新的相机将用于加利福尼亚大学的伯克利项目，其目的是观察一百万个单个神经元，同时以单细胞的准确性刺激1000个神经元。该项目由DARPA的神经工程系统设计项目(联邦政府的BRAIN项目的一部分)资助，旨在开发植入式、生物相容性神经接口，最终可弥补视觉或听力障碍。

　　作为第一步，研究人员想要创建他们所谓的皮质调制解调器，它将对动物模型的大脑进行“读取”和“写入”，就像互联网调制解调器的输入和输出活动一样。DiffuserCam将是该项目阅读设备的核心，该设备还将通过特殊的蛋白质，使科学家能够用光控制神经元的活动。

　　“用这种方法观察老鼠大脑中的神经元细胞可能会帮助我们更多地了解感官知觉，并提供可用于治疗老年痴呆症或精神障碍等疾病的知识，”Waller说。

　　虽然新开发的成像技术可以捕捉数百个神经元发射，但大脑如何在更大的尺度上工作尚不完全清楚。DiffuserCam具有可以通过一次成像数以百万的神经元来提供深入观察的潜力。由于相机重量轻，不需要显微镜或物镜，因此可以将其连接到老鼠颅骨上的透明窗口，使神经元活动与行为联系起来。上面覆有漫射体的平面阵列可以用于大面积成像。

　　跨学科设计师的需求

　　“我们的工作表明，计算成像可以是一个创造性的过程，它可以检查光学设计和算法设计的所有部分，从而创建光学系统，完成以前无法完成的工作，或者以更简单的方法完成以前可以完成的工作。”Waller说。“这是一个非常强大的成像方向，但它需要设计人员同时具备光学、物理和计算方面的知识。”

　　以Waller为首的伯克利计算成像中心，致力于在这个跨学科领域培养更多的科学家。来自中心的科学家每周还会与生物工程师，物理学家和电气工程师以及信号处理和机器学习方面的专家交流意见，更好地了解其他领域的成像需求。

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