圖1.mPEN-sCUPLI 深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該框架融合了物理模型、擴展采樣先驗、稀疏性約束和深度圖像等先驗，解決了傳統(tǒng)方法的不穩(wěn)定性。

近日，中國科學(xué)院西安光機所聯(lián)合加拿大國立科學(xué)研究院(INRS)和西北大學(xué)，在壓縮高速成像領(lǐng)域取得重要進展。相關(guān)研究成果發(fā)表于《超快科學(xué)》(Ultrafast Science)。論文共同第一作者為西安光機所栗星博士、王思穎博士和西北大學(xué)博士陳長恒，通訊作者為西安光機所柏晨研究員和姚保利研究員，西安光機所為第一完成單位及通訊單位。

壓縮高速成像的核心難題，在于從復(fù)雜逆問題中高保真地重建動態(tài)序列。傳統(tǒng)深度學(xué)習(xí)方法通常依賴于大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)，且普遍存在泛化能力有限、易引入偽影等問題。而現(xiàn)有的物理增強框架大多局限于單一任務(wù)先驗，難以有效應(yīng)對超快成像場景中噪聲、幀間串擾等多維度干擾帶來的復(fù)合成像難題。

為此，西安光機所研究團隊提出多先驗物理增強神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(mPEN)成像框架(如圖1所示)，團隊創(chuàng)新性地將光致發(fā)光動力學(xué)物理模型、擴展采樣先驗、稀疏性約束、深度圖像先驗等多先驗信息深度融入非訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。通過多重互補先驗的協(xié)同修正，有效抑制了重建偽影、糾正空間畸變并提升空間分辨率，特別是在低光子條件下表現(xiàn)出較強的魯棒性。

在此基礎(chǔ)上，研究團隊進一步構(gòu)建了基于雙光路同步采集與多先驗物理增強深度學(xué)習(xí)融合的壓縮高速成像系統(tǒng)(如圖2所示)。

該系統(tǒng)采用脈沖激光作為激發(fā)光源，并通過數(shù)字微鏡器件(DMD)加載偽隨機圖案對動態(tài)場景進行空間編碼。動態(tài)場景的光信號被劃分為兩個路徑：在編碼路徑中，通過振鏡掃描將時間信息轉(zhuǎn)化為空間剪切偏移，并由CMOS相機捕獲;在先驗采樣路徑中，另一臺同步的CMOS相機直接采集場景的未編碼積分圖像。系統(tǒng)通過數(shù)字延遲發(fā)生器與信號發(fā)生器協(xié)同調(diào)度，實現(xiàn)對光源、振鏡與雙相機的精密同步控制。最終，該系統(tǒng)結(jié)合人工智能賦能的圖像重建方法，在維持高空間分辨率的同時，實現(xiàn)了高保真的高速動態(tài)成像。

圖2.基于多先驗物理增強深度學(xué)習(xí)的壓縮高速成像光路

基于該光路系統(tǒng)，研究團隊提出的多先驗物理增強深度學(xué)習(xí)方法在光致發(fā)光成像中展現(xiàn)了較高的保真度。實驗結(jié)果(如圖3所示)表明，空間分辨率明顯提升：在33,000 fps的幀率下達到~90.5 lp/mm，是基于TwIST的傳統(tǒng)COSUP方法的3.56倍。在重構(gòu)質(zhì)量方面，圖像銳度與保真度增強了約1.85倍，峰值信噪比(PSNR)平均提升約4dB，有效解決了圖像重構(gòu)過程中的偽影干擾與畸變問題。

圖3.空間分辨率對比結(jié)果。(a)對比TwIST、PnP-ADMM等之前方法，最右列mPENFFDNET方法清晰分辨了分辨率板的細節(jié)，實現(xiàn)了約3.56倍(較基于TwIST的傳統(tǒng)COSUP方法)的分辨率提升。(b)動態(tài)重構(gòu)序列與截線強度曲線(白線處)，驗證了動態(tài)分辨率一致性。

該技術(shù)展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。研究團隊已將其應(yīng)用于食品安全檢測領(lǐng)域，借助稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米探針，成功在酒精溶液中實現(xiàn)對合成色素莧菜紅濃度的微秒級熒光壽命無損檢測，為痕量物質(zhì)的快速精準分析提供了全新技術(shù)路徑。

圖4.酒精溶液中色素濃度檢測。(a-b)mPENFFDNET與PnP-ADMM方法的重構(gòu)結(jié)果對比及圖像細節(jié)展示，結(jié)果顯示mPENFFDNET有效抑制了前者存在的偽影與強度不均勻，實現(xiàn)了更高保真的細節(jié)重建;(c)為圖(a)橙色虛線框區(qū)域?qū)?yīng)的3D強度分布(3D profiles)對比，結(jié)果顯示mPENFFDNET有效消除了PnP-ADMM結(jié)果中的鋸齒狀起伏與背景噪聲，使重構(gòu)表面更圓滑、背景更純凈，直觀體現(xiàn)了系統(tǒng)對偽影的有效抑制;(d-e)熒光衰減曲線及平均壽命分析。實驗證實，通過高保真重建可定量表征熒光壽命隨色素濃度增加的猝滅效應(yīng)。

團隊在此領(lǐng)域的研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會等項目的支持。

西安光機所姚保利研究員團隊近年來對智能光學(xué)顯微成像技術(shù)進行了深入研究，形成了多種新型光學(xué)顯微成像技術(shù)，在成像功能、信息獲取維度、性能指標等方面均獲得顯著提升，包括利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)實現(xiàn)的全彩寬場顯微光切片三維成像、共聚焦顯微快速超分辨三維成像、快速光片三維顯微成像，以及利用壓縮感知技術(shù)實現(xiàn)的高分辨率高信噪比的光片顯微成像、透過散射介質(zhì)計算成像等。相關(guān)研究成果發(fā)表于Opto-Electron. Adv.、Photon. Res.、Opt. Lett.、Opt. Express等期刊。

此外，西安光機所姚保利研究員團隊在基于光場調(diào)控的光學(xué)顯微成像和光學(xué)微操縱方面開展了長期的理論和實驗研究工作，在PNAS、Nature Com.、Sci. Adv.、PRL、Rep. Prog. Phys.、Adv. Opt. Photon.等期刊上發(fā)表300多篇論文，授權(quán)多項國家發(fā)明，曾獲陜西省科學(xué)技術(shù)一等獎、二等獎和陜西省重點科技創(chuàng)新團隊等獎勵和榮譽。

審核編輯 黃宇