成像技术殊途同归

　　随着气球、飞机和卫星的问世，人类不仅飞上了蓝天，而且飞得越来越高。一个问题也随之产生：天空能为人类带来什么？
　　生活的经验告诉我们，登高可以望远。但是，用肉眼观察有两个问题：一是观察结果不便分享，二是观察的距离受到限制。于是有了新的需求：用技术手段俯瞰大地。目前，常用的技术手段包括光学成像、红外成像、雷达成像。这些手段各有千秋，不仅可以用于军事领域，也可以用于环境监测、大地测绘、地质勘探等民用领域。一、功能各不相同
　　敦煌毁林案的卫星光学照片
　　最早出现的是光学成像，也就是通常所说的空中照相。光学成像，类似于人眼，本质就是可见光成像。将人眼可以看得到的地面景物或战场景象，客观地记录下来，逼真地还原出来，供人们分析判断。这里强调的是地面景物或景象。随着光学成像技术的发展，慢说气球、飞机了，即使是在距离地面几百千米的太空，卫星也能拍出清晰的地面照片。上图是2021年曝光的敦煌毁林案中的两张卫星照片，通过对比可以看出大片防护林被违规砍伐，转变为了农作物耕地。
　　潜伏在草丛中的狙击手
　　士兵的红外成像照片
　　光学成像对于诸如潜伏在草丛里的士兵、隐藏在树林里的武器装备、借助于夜幕掩护的军事行动等无能为力，这就给红外成像留下了发展空间。红外成像，也叫热成像，通过红外传感器感受被观察对象的红外辐射特征，形成红外图像，以供人们分析判断。这里针对的是地面隐蔽目标。人员以及运行中的武器装备等其温度都高于环境温度，温度越高，红外辐射特征越明显，从而可以将目标从背景中提取出来。这就是红外成像的独特之处。2021年3月2日，俄罗斯卫星通信社报道了一则消息，在叙利亚的一次作战行动中，美军狙击手藏在乱石堆中，躲过了俄军巡逻队的搜查，但是却没有逃脱俄军的热成像仪。
　　新浦造船厂的光学成像照片
　　新浦造船厂的雷达像照片
　　雷达成像又有什么妙用呢？上面是网络流传的朝鲜新浦造船厂的一组照片。上图是用雨棚遮挡后的船坞的光学照片，下图是雷达成像透过雨棚所看到的船坞内的情况，包括建造中的潜艇、测试驳船、支撑雨棚的支架等。雷达成像，是利用合成孔径雷达依据雷达回波所形成的目标图像。雷达电磁波具有很强的穿透性，对于无水土壤穿透厚度可以达到30米，适用于对遮挡目标或地下隐蔽目标的搜索与监视。二、本质殊途同归
　　目前，常用的成像技术手段有光学成像、红外成像和雷达成像。未来随着相关技术的发展，还会出现一些新的成像技术手段。撇开这些手段的具体技术细节，物理成像的共性问题就是信息的可视化和图像的数字化。
　　电磁频谱示意图
　　信息可视化是对抽象数据进行形象直观的具象化表达，如图形、表格、地图等，以帮助人们更好地感知和理解抽象数据。在电磁频谱中，可见光只占了很小的一部分，红外线与雷达微波都是人眼看不见的，本无图像可言，但是为了使人们能够感知到它们的存在，并且感受到它们之间的差异，就借助于图像的概念，用不同灰度或不同颜色区分不同信号，人为的将目标的红外辐射分布或雷达回波分布转化为人眼可见的灰度图像或彩色图像。
　　战斗机起飞的红外成像照片
　　雾霾笼罩下的西安南门雷达成像照片
　　图像数字化是将连续分布的模拟图像经采样和量化转换成计算机能够处理的数字图像的过程，一般分为三个步骤：采样、量化、编码。
　　图像的像素与分辨率
　　采样，核心是用有限像素点来描述一幅图像。以二维连续图像为例，在水平和垂直方向上等间距地分割成矩形网状结构，每一方格称为一个像素点。采样就是建立一幅图像的全体像素点的集合。采样质量的高低可以用图像单位长度的像素点数目来度量，称为图像分辨率，单位是DPI，英文DotsPerInch的缩写，即图像每英寸长度所包含的像素点数。
　　像素的颜色值示例
　　量化，是指用一定范围的数值来表示图像采样后的每一个像素点，包括灰度值或颜色值。对于灰度图，灰度范围一般从0到255，白色为255，黑色为0。对于彩图，在RGB（三原色）模式下，用三组从0到255的数值来表示某种颜色的色值。如，红色的色值是255，0，0；绿色是0，255，0；蓝是0，0，255。三色组合可以形成1600万种颜色。量化的结果反映为图像所包含的颜色总数。颜色总数越多，采样的质量就越好，但是图像处理的数据量也就越大。
　　压缩编码，就是要解决图像数据量的问题。显然，数字化后得到的图像的数据量巨大，必须采用编码技术压缩其信息量。具体内容不再展开。三、追求永无止境
　　如果用四个字描述物理成像领域的发展现状与趋势，方兴未艾可能是最好的选择。突出体现在三个方面：
　　一是开发新领域。着眼电磁频谱，在微波与红外之间有一个较为特殊、尚未开发的太赫兹频段（0。110THz，1THz11012Hz）。伴随着太赫兹频段的开发，太赫兹成像已经成为物理成像的新领域。太赫兹频段在低频、高频两端分别与毫米波、红外光相重合，覆盖半导体、等离子体、有机体和生物大分子物质的特征谱，是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区，被称为电磁频谱的太赫兹空隙。太赫兹成像具有穿透力强、自动化程度高、非接触、非破坏等特点，有望在物体内部信息获取、隐藏物辨别、生物医学成像、材料无损检测、文物地质勘探、反恐安全检查和目标雷达成像等方面取得新突破。
　　二是推动新热点。物理成像技术发端于军用领域，并主要运用于军用领域。伴随着相关成像技术的成熟，推动成像技术向民用领域的扩散，开发更多、更好、更实用、更便捷的民用产品，撬动需求旺盛的民用市场，已经成为国内外成像技术发展的新热点。其中，红外成像以非制冷型产品为重点，主要面向安防、辅助驾驶、警用消防、工业监测、电力检测、医疗检疫、个人消费等。雷达成像的运用场景则更为宏观，主要面向政府部门和有关行业，如大地测绘、农作物普查、土壤含水量分析、地质灾害监测、地下水下考古勘测、城市建设规划等。
　　三是寻求新突破。生命周期曲线同样适用于技术、产品与市场，伴随着技术、产品与市场走向成熟，必然要求产品小型化、系列化、规模化，从而在功能、性能和效能上不断提升，价格逐渐降低，以更多、更好、更实用的产品不断满足市场的多样化需求，创新与突破永无止境。物理成像领域同样如此，特别是在民用领域更是如此。