成像技術殊途同歸

隨着氣球、飛機和衛星的問世，人類不僅飛上了藍天，而且飛得越來越高。一個問題也隨之產生：天空能為人類帶來什麼？

生活的經驗告訴我們，登高可以望遠。但是，用肉眼觀察有兩個問題：一是觀察結果不便分享，二是觀察的距離受到限制。於是有了新的需求：用技術手段俯瞰大地。目前，常用的技術手段包括光學成像、紅外成像、雷達成像。這些手段各有千秋，不僅可以用于軍事領域，也可以用於環境監測、大地測繪、地質勘探等民用領域。

一、功能各不相同

敦煌毀林案的衛星光學照片

最早出現的是光學成像，也就是通常所說的空中照相。光學成像，類似於人眼，本質就是可見光成像。將人眼可以看得到的地面景物或戰場景象，客觀地記錄下來，逼真地還原出來，供人們分析判斷。這裡強調的是地面景物或景象。隨着光學成像技術的發展，慢說氣球、飛機了，即使是在距離地面幾百千米的太空，衛星也能拍出清晰的地面照片。上圖是2021年曝光的「敦煌毀林案」中的兩張衛星照片，通過對比可以看出大片防護林被違規砍伐，轉變為了農作物耕地。

潛伏在草叢中的狙擊手

士兵的紅外成像照片

光學成像對於諸如潛伏在草叢裡的士兵、隱藏在樹林里的武器裝備、藉助於夜幕掩護的軍事行動等無能為力，這就給紅外成像留下了發展空間。紅外成像，也叫熱成像，通過紅外傳感器感受被觀察對象的紅外輻射特徵，形成紅外圖像，以供人們分析判斷。這裡針對的是地面隱蔽目標。人員以及運行中的武器裝備等其溫度都高於環境溫度，溫度越高，紅外輻射特徵越明顯，從而可以將目標從背景中提取出來。這就是紅外成像的獨特之處。2021年3月2日，俄羅斯衛星通信社報道了一則消息，在敘利亞的一次作戰行動中，美軍狙擊手藏在亂石堆中，躲過了俄軍巡邏隊的搜查，但是卻沒有逃脫俄軍的熱成像儀。

新浦造船廠的光學成像照片

新浦造船廠的雷達像照片

雷達成像又有什麼妙用呢？上面是網絡流傳的朝鮮新浦造船廠的一組照片。上圖是用雨棚遮擋後的船塢的光學照片，下圖是雷達成像透過雨棚所看到的船塢內的情況，包括建造中的潛艇、測試駁船、支撐雨棚的支架等。雷達成像，是利用合成孔徑雷達依據雷達回波所形成的目標圖像。雷達電磁波具有很強的穿透性，對於無水土壤穿透厚度可以達到30米，適用於對遮擋目標或地下隱蔽目標的搜索與監視。

二、本質殊途同歸

目前，常用的成像技術手段有光學成像、紅外成像和雷達成像。未來隨着相關技術的發展，還會出現一些新的成像技術手段。撇開這些手段的具體技術細節，物理成像的共性問題就是信息的可視化和圖像的數字化。

電磁頻譜示意圖

信息可視化是對抽象數據進行形象直觀的具象化表達，如圖形、表格、地圖等，以幫助人們更好地感知和理解抽象數據。在電磁頻譜中，可見光只佔了很小的一部分，紅外線與雷達微波都是人眼看不見的，本無圖像可言，但是為了使人們能夠感知到它們的存在，並且感受到它們之間的差異，就藉助於「圖像」的概念，用不同灰度或不同顏色區分不同信號，人為的將目標的紅外輻射分佈或雷達回波分佈轉化為人眼可見的灰度圖像或彩色圖像。

戰鬥機起飛的紅外成像照片

霧霾籠罩下的西安南門雷達成像照片

圖像數字化是將連續分佈的模擬圖像經採樣和量化轉換成計算機能夠處理的數字圖像的過程，一般分為三個步驟：採樣、量化、編碼。

圖像的像素與分辨率

採樣，核心是用有限像素點來描述一幅圖像。以二維連續圖像為例，在水平和垂直方向上等間距地分割成矩形網狀結構，每一方格稱為一個像素點。採樣就是建立一幅圖像的全體像素點的集合。採樣質量的高低可以用圖像單位長度的像素點數目來度量，稱為圖像分辨率，單位是DPI，英文Dots Per Inch的縮寫，即圖像每英寸長度所包含的像素點數。

像素的顏色值示例

量化，是指用一定範圍的數值來表示圖像採樣後的每一個像素點，包括灰度值或顏色值。對於灰度圖，灰度範圍一般從0到255，白色為255，黑色為0。對於彩圖，在RGB（三原色）模式下，用三組從0到255的數值來表示某種顏色的色值。如，紅色的色值是255，0，0；綠色是0，255，0；藍是0，0，255。三色組合可以形成1600 萬種顏色。量化的結果反映為圖像所包含的顏色總數。顏色總數越多，採樣的質量就越好，但是圖像處理的數據量也就越大。

壓縮編碼，就是要解決圖像數據量的問題。顯然，數字化後得到的圖像的數據量巨大，必須採用編碼技術壓縮其信息量。具體內容不再展開。

三、追求永無止境

如果用四個字描述物理成像領域的發展現狀與趨勢，方興未艾可能是最好的選擇。突出體現在三個方面：

一是開發新領域。着眼電磁頻譜，在微波與紅外之間有一個較為特殊、尚未開發的太赫茲頻段（0.1~10THz，1THz=1´1012Hz）。伴隨着太赫茲頻段的開發，太赫茲成像已經成為物理成像的新領域。太赫茲頻段在低頻、高頻兩端分別與毫米波、紅外光相重合，覆蓋半導體、等離子體、有機體和生物大分子物質的特徵譜，是宏觀經典理論向微觀量子理論的過渡區，也是電子學向光子學的過渡區，被稱為電磁頻譜的「太赫茲空隙」。太赫茲成像具有穿透力強、自動化程度高、非接觸、非破壞等特點，有望在物體內部信息獲取、隱藏物辨別、生物醫學成像、材料無損檢測、文物地質勘探、反恐安全檢查和目標雷達成像等方面取得新突破。

二是推動新熱點。物理成像技術發端于軍用領域，並主要運用于軍用領域。伴隨着相關成像技術的成熟，推動成像技術向民用領域的擴散，開發更多、更好、更實用、更便捷的民用產品，撬動需求旺盛的民用市場，已經成為國內外成像技術發展的新熱點。其中，紅外成像以非製冷型產品為重點，主要面向安防、輔助駕駛、警用消防、工業監測、電力檢測、醫療檢疫、個人消費等。雷達成像的運用場景則更為宏觀，主要面向政府部門和有關行業，如大地測繪、農作物普查、土壤含水量分析、地質災害監測、地下/水下考古勘測、城市建設規劃等。

三是尋求新突破。生命周期曲線同樣適用於技術、產品與市場，伴隨着技術、產品與市場走向成熟，必然要求產品小型化、系列化、規模化，從而在功能、性能和效能上不斷提升，價格逐漸降低，以更多、更好、更實用的產品不斷滿足市場的多樣化需求，創新與突破永無止境。物理成像領域同樣如此，特別是在民用領域更是如此。