计算摄像学是为了突破传统成像技术局限而诞生的新兴领域，在研制新型民用相机和科学观测设备方面均有巨大潜力。过去十余年，计算摄像学在计算机视觉、图形学、光学以及信号处理等多学科交叉领域开启了新的前沿，学术界和工业界共同见证了此领域的一系列创新和重大进展。可以说，该领域充满机遇和挑战。为此，我们出版此计算摄像学专题，以推动此领域的研究。

依据视觉信号的维度，我们将计算摄像学研究分为空间结构成像、多光谱采集、相位成像以及瞬态信息记录等。计算摄像学研究也受益于光电科技的发展。为促进读者对此领域最新进展的全面了解，此专题包括8篇邀请文章，其中7篇综述——包括1篇该领域总体概述和6篇关于视觉信号不同维度计算成像方法进展的调查——以及1篇关于片上光互连近期进展的研究论文。

计算成像学从光传播和信息传递角度为光的整个成像过程建模，将计算能力引入传统光学成像，旨在突破视觉信息记录的局限。计算成像领域的进展，促进了不同基础学科和应用学科的发展。我们概述了计算成像领域的基本原则和方法、发展过程及其在科学发展中起到的重要作用，从视觉信号的不同维度——包括空间、时间、角度、光谱、相位——分别综述了计算成像领域最新和最先进的研究进展，并讨论了该领域有发展前景的研究方向。

超分辨显微成像技术已广泛应用于多个领域。其中，计算方法的优化和提升，对超分辨显微系统成像质量优化至关重要。本文综述了目前主流超分辨显微技术采用的计算方法，包括反卷积显微技术、基于偏振的超分辨显微技术、结构光照明显微技术、图像扫描显微技术、超分辨光学涨落显微成像技术、单分子定位显微技术、贝叶斯分析超分辨显微技术、受激辐射损耗显微技术和移位显微技术。新计算方法的发展将有助于提升超分辨显微的成像效果，使其具备更好的分辨率、更高的精度和更快的图像处理速度。

光场成像是计算摄像学领域一项新兴技术。基于对成像模型和光路的创新设计，光场相机不仅记录了三维物体的空间强度，而且捕获了物理世界中的角度信息。这为解决三维重建、显著区域检测、目标识别等计算机视觉问题提供了新途径。本文首先回顾了光场相机的三个关键问题，包括成像模型、标定理论以及重建方法。然后，系统介绍了光场成像技术在信息学、物理学、医学和生物学等领域的应用现状。最后，讨论了光场成像目前存在的问题，并展望了光场成像技术的应用前景。

与传统视频采集技术相比，高分辨率光谱视频采集技术能够为精细农业、环境监测、遥感、军事刑侦等诸多重要领域提供高维度、高精度场景特征信息。传统光谱仪主要采用的扫描系统无法满足动态场景下的采集需求，从而限制了光谱成像技术的应用范围。近来，得益于计算摄像理论和半导体技术的快速发展，光谱视频采集技术成为可能。本文首先详细介绍了传统光谱仪的基本理论与工作原理。其次，针对光谱视频采集的核心问题，从成像理论、系统结构、关键器件等方面回顾了近年出现的瞬拍式光谱采集技术。从进一步提升光谱视频采集精度的角度出发，通过主观质量评价与客观指标比较，分析和总结了各光谱成像系统的性能优势与弊端，同时讨论了计算摄像理论、半导体制备工艺对光谱视频采集技术发展的关键作用。

单像素成像技术具有利用一个单像素探测器获取高分辨图像的能力，近十年来得到广泛关注。该技术已应用于多个领域，如核磁共振成像、航天遥感、太赫兹成像和高光谱成像。与传统相机相比，单像素相机可以实现图像压缩和超宽的频谱工作范围。然而，单像素相机的成像速度受到数字微镜阵列和图像压缩程度限制，导致其时间分辨率较低（毫秒量级）。因此，观察显微成像中的高速动态现象对于单像素相机而言是巨大挑战。最近，基于光子时间拉伸的高速单像素成像技术被提出，其远超普通相机的成像速度也得到验证。本文介绍了光子时间拉伸技术的原理和应用，给出了高速单像素相机的结构，并通过实验证实利用该相机可实现高速和高吞吐量细胞流式分析，最后，讨论了高速单像素相机的局限和应用潜力。

瞬态成像是一种记录光从开始照射直到稳定状态全过程的摄像技术，这使得光速量级的事件可以被观测。介绍了采用飞行时间（time-of-flight, ToF）相机进行瞬态成像的三种数学模型，即相关函数模型、频域模型和压缩感知模型。瞬态图像应用主要基于光传输解析和不同光路光线分离。讨论了两种应用，即对散射介质内的物体进行成像和恢复被拐角遮挡物体的形状和纹理。

相比于振幅，相位包含更多光场信息。因此，在现代科学和工程学的许多分支中更鼓励测量光场的相位。然而，对可见光波段电磁波而言，直接测量相位非常困难，必须使用计算方法从捕获的光强度中计算相位。本文回顾了近期我们在迭代相位恢复技术及其在光学成像中的应用等方面的研究工作。

本文采用晶圆级微纳加工技术，基于硅衬底氮化镓晶圆，提出并制备了同质集成发射极、集电极和基极的可见光互联芯片。利用InGaN/GaN量子阱二极管器件发光探测共存的特性，芯片的发射极和集电极采用相同的量子阱结构，并通过相同的制备工艺实现。发射极和集电极之间通过悬空的光波导连接，实现器件之间的光互联。同质集成可见光互联芯片集成两个共基极的光致晶体管，实现芯片内可见光的发射、传输和探测功能。该可见光互联芯片可以广泛应用于光致类脑神经形态芯片、芯片内可见光通信、智能显示、微纳成像及光传感等领域。

水波滑翔器是一种能够利用海面波浪起伏获得前进动力的海面移动装置，本文研究一种该装置的动力学建模方法。水波滑翔器由水面浮子和水下滑翔装置两部分构成，可视为一个双质点系统。本文采用Kane方程建立该系统的动力学模型，并提出一种水池试验装置来测试模型的有效性，得到了滑翔器在不同海况条件下的速度性能。同时，该模型还可用于优化滑翔器的结构参数。本文提出的水波滑翔器动力学模型具有解析形式，是滑翔器运动控制得以实现的前提，也为滑翔器离线运动规划和装置结构优化提供了重要基础。

We introduce a novel strategy of designing a chaotic coverage path planner for the mobile robot based on the Chebyshev map for achieving special missions. The designed chaotic path planner consists of a two-dimensional Chebyshev map which is constructed by two one-dimensional Chebyshev maps. The performance of the time sequences which are generated by the planner is improved by arcsine transformation to enhance the chaotic characteristics and uniform distribution. Then the coverage rate and randomness for achieving the special missions of the robot are enhanced. The chaotic Chebyshev system is mapped into the feasible region of the robot workplace by affine transformation. Then a universal algorithm of coverage path planning is designed for environments with obstacles. Simulation results show that the constructed chaotic path planner can avoid detection of the obstacles and the workplace boundaries, and runs safely in the feasible areas. The designed strategy is able to satisfy the requirements of randomness, coverage, and high efficiency for special missions.

基于组件的军事信息系统业务架构集成是军事领域中一个重要研究内容，而识别企业级业务组件是业务架构集成中一个关键问题。当前业务组件识别的方法多是关注于软件层面业务组件，忽略了诸如组织、资源等企业级因素；而目前企业级业务组件识别方法被证明非常低效。因此本文提出一种企业级业务组件识别的新方法，该方法全面考虑了业务组件的内聚度、耦合度、粒度、可维护性、可复用性五个设计原则。首先基于业务组件模型和DoDAF（Department of Defense Architecture Framework）模型对业务组件进行了定义和形式化描述，为了对业务组件进行定量化分析，将业务模型转为一个CRUD（create, read, update, and delete）矩阵并提出了6类指标；然后将业务组件识别问题转化为一个多目标优化问题，并采用了模拟退火遗传算法（simulated annealing hybrid genetic algorithm, SHGA）进行求解。最后通过案例分析验证了本文方法较先前的方法对企业级业务组件识别具有更好的适用性和高效性。

The explosive growth of malware variants poses a major threat to information security. Traditional anti-virus systems based on signatures fail to classify unknown malware into their corresponding families and to detect new kinds of malware programs. Therefore, we propose a machine learning based malware analysis system, which is composed of three modules: data processing, decision making, and new malware detection. The data processing module deals with gray-scale images, Opcode n-gram, and import functions, which are employed to extract the features of the malware. The decision-making module uses the features to classify the malware and to identify suspicious malware. Finally, the detection module uses the shared nearest neighbor (SNN) clustering algorithm to discover new malware families. Our approach is evaluated on more than 20 000 malware instances, which were collected by Kingsoft, ESET NOD32, and Anubis. The results show that our system can effectively classify the unknown malware with a best accuracy of 98.9%, and successfully detects 86.7% of the new malware.

不经意传输协议（oblivious transfer, OT）因其简易的密码功能广泛应用于安全多方计算。以往OT协议都是基于传统数论问题（例如，离散对数，大数分解问题）所构造的，随着量子计算技术的发展，基于传统困难问题的OT协议安全性受到极大的威胁。因此，人们转而考虑使用后量子密码技术替代以往OT协议所依赖的传统困难问题。目前，已有一些基于后量子密码体制的OT协议被提出。然而，大多数后量子密码构造只在假设传统敌手存在的环境下证明其方案安全性。在本文中，我们在量子敌手存在的环境下，证明一个基于格公钥密码的OT协议（[PVW08]）的安全性。首先我们使用量子平移定理（[Unr10]）证明该协议的安全性可以完全平移到量子环境中，此外，我们还使用其他两个专用于分析后量子密码原语的分析模型（[HSS11]，[Son14]）从不同的角度对该协议进行安全性分析，从而保证我们给出的量子安全证明的正确性。我们的成果可以看作对后量子密码协议分析模型的一个实际应用实例。

在现代的多副本节能存储系统中，主副本的磁盘总是保持着开启以对外提供服务，而其他副本的磁盘则可以在负载低时保持关闭状态以节能。然而，因为新的写请求不能够被立即同步到所有的磁盘上，所以系统的可靠性被降低了。本文中，我们设计了一个基于RAID10的具有高可靠性和高能效的副本存储系统——RERAID。RERAID使用主副本磁盘上的一部分空闲空间结合纠删码构造了一个编码缓存来接收新的写请求。因为通过使用纠删码，编码缓存能够支持2个甚至更多磁盘的故障恢复，所以RERAID能够保证与RAID10存储系统想当的可靠性。另外，我们还设计了一个纠删码写（erasure coding write, ECW）算法来缓存那些小的随机写，并把它们合并成大的写数据块，然后并行写入编码缓存中以提高写性能。实验结果显示RERAID相比现有的方案能够提高写性能并且节省更多的能源。

为解决将PID控制器引入协同碰撞避免（cooperative collision avoidance system，CCAS）的研究中存在的不能合理优化PID控制器，以及对车辆行驶稳定性、舒适性及燃油经济性研究不足的问题，本文提出使用改进的粒子群优化算法（particle swarm optimization, PSO）优化PID控制器的方法，来实现CCAS对车辆更好的操控的目标。首先，本文使用PRESCAN和MATLAB/Simulink进行联合仿真，构建了由PID控制器，机动策略判断模块组成的CCAS。其次，本文使用改进的粒子群算法，依据获得的汽车动力学数据，对PID控制器进行了优化。最后，本文模拟了配备CCAS的车辆在其PID控制器经过优化前后，在低速（≤50 km/h）和高速(≥100 km/h)两种巡航状态下，进行减速行驶、减速转向工况的测试。结果表明，经过本文方法优化的PID控制器，不仅可使CCAS实现基本功能，还可实现车辆动态稳定性，行驶舒适性和燃油经济性的改善。

为进一步说明之前的文章，提出了支持面向特定系统表现特征（system manifestation feature, SMFs）的信息管理和构成系统模型编程的信息模式构造（information schema construct, ISCs）。首先，简要介绍了（1）利用SMFs进行具体化设计的一般过程，（2）创建基因型和表型SMFs的步骤，（3）表型SMFs实例化的具体步骤，以及（4）系统模型管理和处理的步骤。接着，讨论了表型SMFs实例化所需的信息块，提出了为实现SMFs实例化而设计的ISCs。然后，讨论了与系统建模相关的信息管理问题。在研究方法上，系统建模包括（1）在模型空间中放置表型SMFs，（2）针对所需架构和操作，组合所放置的表型SMFs，（3）参数赋值以及约束条件符合程度检查，以及（4）在基于SMFs的数据仓中存储系统构建模型。研究的最终目标是开发一个支持信息物理系统（cyber-physical systems, CPSs）建模的基于SMFs的工具箱。

在纳米技术领域，量子元胞自动机（quantum dot-cellular automata, QCA）可作为传统互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor, CMOS）电路的替代方案，具有可观的发展前景。QCA设备密度高，运行速度快，且功耗极低。在QCA中，可逆逻辑有着广泛应用。研究者已开发多个基于QCA的可逆逻辑电路，但基于QCA的可逆二进制减法器研究却不多见。QCA低功耗和高电流密度的特点，使其可用于设计纳米尺度节能逻辑电路。然而，其对大量逻辑门的需求和不利的无用输出，可能限制基于QCA逻辑电路的功能。我们利用QCA设计并实现了一个DG门，实现了DG门的普遍特征。利用该DG门的QCA部分，可以获得新的可逆二进制减法器。相比现有可逆减法器，我们设计的减法器量子成本低，无用输出少。电路设计与模拟基于QCA Designer-2.0.3软件。

转速是影响转子式微陀螺性能的关键因素，因此转子式微陀螺必须工作在较高转速下。为缩短转子式微陀螺的启动时间，提出了一种适用于球碟转子式微陀螺的新型驱动系统。该系统以微控制器为核心。首先，微控制器作为正弦脉冲宽度调制信号发生器，产生驱动永磁转子旋转的驱动磁场。其次，利用反电动势检测方法，通过检测转子在空闲驱动线圈中感应的反电动势，判定转子实时位置。之后，运用微控制器中的控制算法，保证转子在加速过程中加速度始终处于安全范围，并在达到设定转速时保证转子恒速运行。利用该控制算法，可以预防系统运行中出现失步现象而导致转子停转。实验结果表明，在自适应快速启动技术支持下，该器件启动速度可以提高36.6%。

针对电子对抗中的欺骗干扰鉴别问题，提出了基于频率分集阵列（frequency diverse array, FDA）的干扰鉴别方法。FDA波束具有距离—角度二维耦合特性，当波束聚焦距离与真实目标不一致时，会产生角误差信号，即干扰角度在相控阵中与真实目标一致，而在FDA中与真实目标不一致。因此，利用相控阵和FDA分别进行参数测量，比对测量结果即可实现干扰鉴别。提出了基于FDA进行干扰鉴别的具体流程，给出了两种双波束测量的实现方案，并对各方案的目标检测及参数估计性能进行了理论分析。仿真结果证明了该方法的有效性。