การถ่ายภาพเชิงคำนวณเป็นวิธีการถ่ายภาพประเภทหนึ่งซึ่งภาพหรือแผนที่เชิงปริมาณจะถูกสร้างขึ้นใหม่จากการวัดโดยใช้อัลกอริทึม ในกล้องหรือกล้องจุลทรรศน์ทั่วไป ฮาร์ดแวร์มักจะสร้างภาพที่สามารถมองเห็นได้โดยตรงบนตัวตรวจจับ ในการถ่ายภาพเชิงคำนวณ ตัวตรวจจับอาจบันทึกข้อมูลทางอ้อมแทน เช่น การฉายภาพ การวัดแบบเข้ารหัส รูปแบบการเลี้ยวเบน ภาพที่เปลี่ยนเฟส สัญญาณเวลาบิน หรือภาพที่ถ่ายภายใต้สภาวะแสงที่แตกต่างกัน จากนั้นแบบจำลองเชิงคำนวณจะประมาณวัตถุหรือคุณสมบัติที่กำลังวัด เช่น ความเข้ม เฟส ความลึก องค์ประกอบทางเคมี ความหนาแน่นของอิเล็กตรอน ความเครียดดัชนีหักเหหรือการเคลื่อนไหว^{[ 1 ]}

การสร้างภาพ ด้วยคอมพิวเตอร์ถูกนำมาใช้ในกล้องจุลทรรศน์เชิงคำนวณการสร้างภาพทางการแพทย์เอกซเรย์คอมพิวเตอร์การสร้างภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอัลตราซาวนด์เรดาร์แบบสังเคราะห์รู รับแสง การสร้างภาพแผ่นดินไหวการ ถ่ายภาพเชิงคำนวณ การ สร้างภาพ แบบเข้ารหัสรูรับแสงและการสร้างภาพไฮเปอร์สเปกตรัมมันแตกต่างจากการประมวลผลภาพ ทั่วไป ตรงที่ระบบการวัดและอัลกอริทึมการสร้างภาพมักถูกออกแบบร่วมกัน แทนที่จะใช้ซอฟต์แวร์หลังจากที่สร้างภาพแบบดั้งเดิมเสร็จแล้ว

สาขาสำคัญของการสร้างภาพด้วยคอมพิวเตอร์คือกล้องจุลทรรศน์เชิงคำนวณซึ่งรวมถึงการสร้างภาพแบบเลี้ยวเบนที่สอดคล้องกัน (CDI) พทิโคกราฟีและฟูริเยร์พทิโคกราฟี วิธีการเหล่านี้ใช้แสงที่สอดคล้องกัน รังสีเอกซ์ หรืออิเล็กตรอน ร่วมกับอัลกอริธึมการดึงเฟสเพื่อสร้างภาพขึ้นใหม่เมื่อไม่มีเลนส์ เลนส์ไม่สมบูรณ์ หรือไม่เพียงพอที่จะจับภาพข้อมูลที่ต้องการได้ พวกมันสามารถกู้คืนได้ทั้งแอมพลิจูดและเฟส ทำให้สามารถสร้างภาพเชิงปริมาณของตัวอย่างโปร่งใส วัสดุนาโน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และตัวอย่างทางชีวภาพได้^{[ 2 ] [ 3 ]}

การสร้างภาพด้วยคอมพิวเตอร์พัฒนามาจากหลายประเพณีดั้งเดิม รวมถึงการสร้างภาพตัดขวาง การประมวลผลสัญญาณเรดาร์ ปัญหาผกผันในธรณีฟิสิกส์ ช่องรับสัญญาณแบบเข้ารหัสสำหรับรังสีพลังงานสูง และการถ่ายภาพดิจิทัล ในการสร้างภาพตัดขวาง ด้วยคอมพิวเตอร์ (CT scan)จะใช้การรวมภาพเอกซเรย์หลายๆ ภาพเข้าด้วยกันทางคณิตศาสตร์เพื่อสร้างภาพตัดขวางหรือภาพสามมิติ แนวคิดปัญหาผกผันที่เกี่ยวข้องถูกนำมาใช้ในการสร้างภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า(MRI ) อัลตราซาวนด์ เรดาร์แบบสังเคราะห์ช่องรับสัญญาณและ การ สร้าง ภาพแผ่นดินไหว

การพัฒนาเครื่องตรวจจับดิจิทัล คอมพิวเตอร์ความเร็วสูง และการเพิ่มประสิทธิภาพเชิงตัวเลข ทำให้สามารถออกแบบฮาร์ดแวร์การถ่ายภาพและอัลกอริธึมการสร้างภาพใหม่เป็นระบบรวมกันได้ ในการถ่ายภาพทางการแพทย์ วิธีการสร้างภาพใหม่แบบวนซ้ำและแบบจำลองถูกนำมาใช้เพื่อปรับปรุงคุณภาพของภาพและลดปริมาณรังสีใน CT ^{[ 4 ]}ใน MRI การตรวจจับแบบบีบอัดถูกนำมาใช้เพื่อเร่งการได้มาซึ่งภาพโดยใช้ประโยชน์จากความเบาบางในภาพที่สร้างใหม่^{[ 5 ]}

ในด้านทัศนศาสตร์และกล้องจุลทรรศน์ การดึงข้อมูลเฟสกลายเป็นพื้นฐานที่สำคัญ ในปี 1972 Gerchberg และ Saxton ได้นำเสนออัลกอริทึมแบบวนซ้ำที่ใช้งานได้จริงเพื่อกู้คืนข้อมูลเฟสจากข้อมูลระนาบภาพและระนาบการเลี้ยวเบน^{[ 6 ]}ต่อมา Fienup ได้พัฒนาอัลกอริทึมลดข้อผิดพลาดและอัลกอริทึมอินพุต-เอาต์พุตแบบไฮบริดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการดึงข้อมูลเฟส^{[ 7 ]}อัลกอริทึมเหล่านี้ช่วยให้สามารถสร้างข้อมูลที่ตัวตรวจจับไม่ได้วัดโดยตรงขึ้นมาใหม่ได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเฟสทางแสงหรืออิเล็กตรอน ในทางคณิตศาสตร์ การดึงข้อมูลเฟสจากความเข้มของการเลี้ยวเบนจะสามารถทำได้ในทางทฤษฎีเมื่อจำนวนจุดความเข้มที่วัดได้อย่างอิสระมีมากกว่าจำนวนตัวแปรวัตถุที่ไม่ทราบค่าในปริมาณที่เพียงพอ^{[ 8 ]}

การถ่ายภาพแบบเลี้ยวเบนที่สอดคล้องกันได้รับการสาธิตเชิงทดลองโดย Miao และผู้ร่วมงานในปี 1999 โดยการขยายแนวคิดทางผลึกศาสตร์ไปยังตัวอย่างที่ไม่เป็นผลึก ใน CDI เลนส์วัตถุจะถูกแทนที่ด้วยการวัดการเลี้ยวเบนที่สอดคล้องกันและการดึงเฟสเชิงคำนวณ^{[ 9 ] [ 2 ]} Ptychographyซึ่งเดิมเสนอในบริบทของปัญหาเฟสทางผลึกศาสตร์ ได้พัฒนาเป็นวิธีการถ่ายภาพเชิงคำนวณทั่วไปในช่วงปี 2000 โดยการรวมรูปแบบการเลี้ยวเบนที่สอดคล้องกันที่ทับซ้อนกันเข้ากับอัลกอริธึมการสร้างใหม่แบบวนซ้ำ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 2 ] [ 3 ]} Fourier ptychography ได้รับการแนะนำในกล้องจุลทรรศน์แบบออปติคอลในปี 2013 เพื่อสังเคราะห์ รูรับแสงเชิงตัวเลขที่ใหญ่ขึ้นจากภาพความละเอียดต่ำหลายภาพที่บันทึกภายใต้มุมการส่องสว่างที่แตกต่างกัน^{[ 12 ] [ 13 ]}

การถ่ายภาพเชิงคำนวณก็พัฒนาอย่างรวดเร็วเช่นกันด้วยกล้องดิจิทัลและอุปกรณ์เคลื่อนที่ เทคนิคต่างๆ เช่นการถ่ายภาพช่วงไดนามิกสูง การถ่ายภาพพาโนรามาการถ่ายภาพสนามแสงและการรวมภาพหลายเฟรม ใช้อัลกอริธึมเพื่อรวมการวัดที่ไม่สามารถทำได้ในการเปิดรับแสงแบบธรรมดาเพียงครั้งเดียว^{[ 14 ] [ 15 ]}

กล้องจุลทรรศน์เชิงคำนวณใช้การส่องสว่าง การกระเจิง การตรวจจับ และอัลกอริธึมการสร้างภาพขึ้นใหม่เพื่อกู้คืนข้อมูลที่ไม่ได้บันทึกโดยตรงโดยตัวตรวจจับ ในกล้องจุลทรรศน์เชิงคำนวณหลายรูปแบบ ข้อมูลที่วัดได้คือรูปแบบการเลี้ยวเบนหรือชุดภาพที่บันทึกภายใต้เงื่อนไขการส่องสว่างที่แตกต่างกัน ผลลัพธ์ที่สร้างใหม่อาจเป็นภาพความเข้ม แผนที่เฟสเชิงแสง แผนที่ความหนาแน่นอิเล็กตรอน แผนที่ความเครียด แผนที่ดัชนีหักเห หรือโครงสร้างสามมิติ^{[ 2 ]}

ปัญหาสำคัญในกล้องจุลทรรศน์เชิงคำนวณที่สอดคล้องกันคือปัญหาเฟสตัวตรวจจับมักจะวัดความเข้ม แต่ไม่วัดเฟสของคลื่นที่กระเจิง เนื่องจากเฟสมีข้อมูลโครงสร้าง อัลกอริทึมการคำนวณจึงต้องกู้คืนเฟสจากข้อมูลความเข้มเพียงอย่างเดียว วิธีการทั่วไปใช้อัลกอริทึมแบบวนซ้ำที่เคลื่อนที่ระหว่างพื้นที่จริงและพื้นที่ผกผันในขณะที่บังคับใช้ข้อจำกัดทางกายภาพ เช่น การรองรับตัวอย่างที่จำกัด ความเป็นบวก ความเบาบาง การทับซ้อนระหว่างตำแหน่งการสแกนที่อยู่ใกล้เคียง หรือความสอดคล้องกับแบบจำลองการแพร่กระจายคลื่น^{[ 6 ] [ 7 ] [ 16 ]}

CDI สร้างวัตถุขึ้นใหม่จากรูปแบบการเลี้ยวเบนที่สุ่มตัวอย่างเกินซึ่งบันทึกด้วยรังสีเอกซ์ อิเล็กตรอน หรือแสงที่สอดคล้องกัน ในการทดลอง CDI ทั่วไป ลำแสงที่สอดคล้องกันจะส่องสว่างวัตถุที่แยกเดี่ยวหรือมีขอบเขต คลื่นที่กระเจิงจะสร้างรูปแบบการเลี้ยวเบนบนตัวตรวจจับ และอัลกอริธึมการดึงเฟสจะสร้างวัตถุขึ้นใหม่ในพื้นที่จริง^{[ 9 ]}

CDI สามารถหลีกเลี่ยงความคลาดเคลื่อนที่เกี่ยวข้องกับเลนส์วัตถุได้ เนื่องจากภาพถูกสร้างขึ้นใหม่โดยการคำนวณแทนที่จะสร้างขึ้นโดยตรงจากเลนส์ อย่างไรก็ตาม การสร้างภาพที่ประสบความสำเร็จขึ้นอยู่กับความสอดคล้องของแหล่งกำเนิด ช่วงไดนามิกของตัวตรวจจับ อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน ปริมาณรังสี ความเสถียรของตัวอย่าง และความแม่นยำของแบบจำลองทางกายภาพ ความเสียหายจากรังสีเป็นข้อจำกัดที่สำคัญในตัวอย่างทางชีววิทยาและตัวอย่างอื่นๆ ที่ไวต่อลำแสง^{[ 2 ]}

มีการพัฒนา CDI หลายรูปแบบ รวมถึง CDI แบบดั้งเดิม, Bragg CDI, Fresnel CDI, การสะท้อนหรือ CDI แบบตกกระทบเฉียง, การถ่ายภาพแบบมอดูเลชันที่สอดคล้องกัน และ CDI แบบโฮโลแกรม Bragg CDI มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการทำแผนที่ความเครียดและการบิดเบี้ยวของแลตติสในนาโนคริสตัล เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระรังสีเอกซ์สามารถใช้สำหรับการถ่ายภาพแบบเลี้ยวเบนแบบช็อตเดียวของตัวอย่างที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วหรือไวต่อรังสี^{[ 17 ] [ 2 ]}

Ptychographyขยายการสร้างภาพการเลี้ยวเบนแบบโคherent โดยการบันทึกรูปแบบการเลี้ยวเบนจำนวนมากจากบริเวณที่ทับซ้อนกันของตัวอย่าง โพรบโคherent เฉพาะที่จะถูกสแกนไปทั่วชิ้นงาน และรูปแบบการเลี้ยวเบนจะถูกบันทึกในแต่ละตำแหน่ง การทับซ้อนกันระหว่างตำแหน่งโพรบที่อยู่ใกล้เคียงกันทำให้เกิดความซ้ำซ้อน ช่วยให้อัลกอริธึมสามารถสร้างทั้งวัตถุและในเวอร์ชันสมัยใหม่ โพรบเองก็สามารถสร้างใหม่ได้เช่นกัน^{[ 10 ] [ 11 ]}

พทิโคกราฟีมีประโยชน์สำหรับวัตถุขนาดใหญ่ที่ยากต่อการสร้างภาพด้วย CDI แบบรูปแบบเดียว ใช้กับรังสีเอกซ์ อิเล็กตรอน แสงที่มองเห็นได้ และรังสีอัลตราไวโอเลตแบบสุดขั้ว พทิโคกราฟีรังสีเอกซ์ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการสร้างภาพเฟสเชิงปริมาณและโทโมกราฟีสามมิติของวัสดุ ตัวอย่างทางชีววิทยา และอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ พทิโคกราฟีอิเล็กตรอน ซึ่งมักนำไปใช้ในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านแบบสแกนสี่มิติ สามารถให้ความละเอียดระดับต่ำกว่าอังสตรอมและมีความไวต่อทั้งอะตอมเบาและหนัก^{[ 3 ] [ 17 ] [ 2 ]}

Fourier ptychographyเป็นรูปแบบทางแสงชนิดหนึ่งที่กล้องจุลทรรศน์ทั่วไปบันทึกภาพความละเอียดต่ำหลายภาพภายใต้มุมการส่องสว่างที่แตกต่างกัน ซึ่งมักสร้างขึ้นโดยอาร์เรย์ LED การวัดจะสุ่มตัวอย่างบริเวณต่างๆ ของสเปกตรัม Fourier ของชิ้นงาน จากนั้นอัลกอริทึมจะรวมข้อมูลเพื่อสังเคราะห์รูรับแสงเชิงตัวเลขที่ใหญ่ขึ้นและสร้างภาพความละเอียดสูงที่มีเฟสเชิงปริมาณในขอบเขตการมองเห็นที่กว้าง^{[ 12 ] [ 13 ]}

การถ่ายภาพโทโมกราฟีสร้างโครงสร้างภายในขึ้นใหม่จากข้อมูลการวัดหลายค่าที่ได้จากทิศทาง ตำแหน่ง ความถี่ หรือเงื่อนไขการเข้ารหัสที่แตกต่างกันการถ่ายภาพเอกซเรย์คอมพิวเตอร์สร้างภาพตัดขวางหรือภาพสามมิติขึ้นใหม่จากภาพฉายเอกซเรย์หลายภาพการถ่ายภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสร้างภาพขึ้นใหม่จากข้อมูลการวัดในk-spaceโดยใช้ความชันของสนามแม่เหล็กและสัญญาณคลื่นวิทยุ การตรวจอัลตราซาวนด์ทางการแพทย์สร้างภาพจากเสียงสะท้อนของคลื่นเสียง และอาจใช้การสร้างลำแสง การสร้างภาพขึ้นใหม่ตามแบบจำลอง หรือการผกผันเชิงปริมาณ

วิธีการคำนวณในการถ่ายภาพทางการแพทย์สามารถปรับปรุงคุณภาพของภาพ ลดสัญญาณรบกวน ลดเวลาในการรับภาพ หรือลดปริมาณรังสี ประโยชน์เหล่านี้ขึ้นอยู่กับความแม่นยำของแบบจำลองการวัดและการตรวจสอบทางคลินิก เนื่องจากอัลกอริธึมการสร้างภาพใหม่สามารถทำให้เกิดสิ่งผิดปกติได้เมื่อสมมติฐานถูกละเมิด^{[ 4 ] [ 5 ]}

เรดาร์แบบสังเคราะห์รูรับแสง (Synthetic-aperture radar)ใช้การเคลื่อนที่ของแท่นเรดาร์เพื่อสร้างรูรับแสงที่มีประสิทธิภาพขนาดใหญ่ สัญญาณสะท้อนจากเรดาร์ที่ได้รับจะถูกประมวลผลด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อสร้างภาพความละเอียดสูงของภูมิประเทศ อาคาร เรือ น้ำแข็ง หรือเป้าหมายอื่นๆ แนวคิดที่เกี่ยวข้องนี้ถูกนำไปใช้ในโซนาร์และระบบตรวจวัดระยะไกลแบบใช้คลื่นอื่นๆ ด้วย

การสร้างภาพด้วยคลื่นไหวสะเทือนและการผกผันคลื่นไหวสะเทือนใช้คลื่นไหวสะเทือนที่วัดได้เพื่อประเมินโครงสร้างใต้ดิน วิธีการเหล่านี้มีความสำคัญในด้านธรณีฟิสิกส์ การศึกษาแผ่นดินไหว และการสำรวจทรัพยากร เช่นเดียวกับการสร้างภาพด้วยคอมพิวเตอร์รูปแบบอื่นๆ การสร้างภาพด้วยคลื่นไหวสะเทือนขึ้นอยู่กับแบบจำลองทางกายภาพของการแพร่กระจายของคลื่นและอัลกอริทึมที่แก้ปัญหาผกผันขนาดใหญ่

ในการถ่ายภาพด้วยรูรับแสงแบบเข้ารหัส หน้ากากที่มีลวดลายที่ทราบแล้วจะปรับเปลี่ยนรังสีที่เข้ามา ก่อนที่รังสีนั้นจะไปถึงตัวตรวจจับ ข้อมูลที่บันทึกไว้จะมีลักษณะแตกต่างจากวัตถุจริง แต่สามารถประมาณวัตถุได้โดยการถอดรหัสด้วยคอมพิวเตอร์ รูรับแสงแบบเข้ารหัสมีประโยชน์เมื่อเลนส์แบบดั้งเดิมไม่เหมาะสม เช่น สำหรับรังสีเอกซ์ รังสีแกมมา หรือระบบอินฟราเรดและเทราเฮิร์ตซ์บางระบบ

กล้องรูเข็มเป็นเครื่องถ่ายภาพแบบไร้เลนส์ที่ง่ายที่สุด แต่มีข้อแลกเปลี่ยนระหว่างการรวบรวมแสงและความละเอียด รูเข็มที่เล็กกว่าจะช่วยเพิ่มความคมชัด แต่จะรวบรวมโฟตอนได้น้อยลง รูเปิดที่ใหญ่กว่าจะรวบรวมโฟตอนได้มากขึ้น แต่จะทำให้ภาพเบลอ รูรับแสงแบบเข้ารหัสจะแก้ปัญหานี้ได้โดยใช้รูเปิดจำนวนมากที่จัดเรียงตามรูปแบบที่ทราบ เพิ่มปริมาณงานในขณะที่ยังคงรักษาข้อมูลที่สามารถถอดรหัสได้ด้วยการคำนวณ^{[ 18 ]}

วิธีการใช้รูรับแสงแบบเข้ารหัสถูกนำมาใช้ในการถ่ายภาพทางดาราศาสตร์ การถ่ายภาพนิวเคลียร์ สเปกโทรสโกปี และการถ่ายภาพสเปกตรัมแบบฉับพลัน โดยมักใช้ร่วมกับการลดการเบลอ การหาความสัมพันธ์ การบีบอัดข้อมูล หรือการสร้างภาพใหม่ทางสถิติ

การถ่ายภาพสเปกตรัมแบบดั้งเดิมมักจะสแกนฉากทีละจุด ทีละบรรทัด หรือทีละความยาวคลื่นเพื่อสร้างคิวบ์ข้อมูลสเปกตรัม การถ่ายภาพสเปกตรัมแบบบีบอัดจะบันทึกการวัดแบบมัลติเพล็กซ์ที่ผสมผสานข้อมูลเชิงพื้นที่และสเปกตรัมเข้าด้วยกัน จากนั้นอัลกอริทึมการสร้างใหม่จะประมาณคิวบ์ข้อมูลทั้งหมดจากการวัดที่น้อยกว่าที่จำเป็นโดยการสแกนโดยตรง^{[ 19 ] [ 20 ]}

เครื่องถ่ายภาพสเปกตรัมแบบสแนปช็อตรูรับแสงแบบเข้ารหัส (CASSI) เป็นตัวอย่างที่รู้จักกันดี โดยใช้รูรับแสงแบบเข้ารหัสและองค์ประกอบกระจายแสงเพื่อแมปข้อมูลเชิงพื้นที่และสเปกตรัมลงบนตัวตรวจจับในรูปแบบบีบอัด จากนั้นจึงใช้การปรับให้เหมาะสมเชิงตัวเลขเพื่อสร้างข้อมูลสเปกตรัมแบบลูกบาศก์ขึ้นใหม่^{[ 21 ] [ 22 ]}

การถ่ายภาพสเปกตรัมแบบบีบอัดมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการรับรู้แบบบีบอัดซึ่งใช้ประโยชน์จากความเบาบางหรือโครงสร้างอื่น ๆ ในวัตถุที่กำลังวัด สามารถลดเวลาในการได้มาซึ่งข้อมูลและช่วยให้สามารถวัดแบบสแนปช็อตได้ แต่คุณภาพการสร้างใหม่ขึ้นอยู่กับการสอบเทียบ อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน ความซับซ้อนของฉาก และสมมติฐานที่ใช้ในแบบจำลองการสร้างใหม่^{[ 23 ] [ 24 ]}

การถ่ายภาพเชิงคำนวณใช้อัลกอริธึมเพื่อขยายหรือเปลี่ยนแปลงความสามารถของกล้อง ตัวอย่างเช่น การถ่ายภาพช่วงไดนามิกสูง การต่อภาพพาโนรามา การถ่ายภาพสนามแสง การประมาณความลึก การลดความเบลอ การลดสัญญาณรบกวน และการรวมเฟรมหลายเฟรม วิธีการเหล่านี้มักใช้ภาพหลายภาพ เลนส์เข้ารหัส การส่องสว่างแบบมีโครงสร้าง หรือข้อมูลเซ็นเซอร์จากมุมมองที่แตกต่างกัน^{[ 14 ] [ 15 ]}

ในกล้องถ่ายรูปทั่วไปและโทรศัพท์มือถือ การถ่ายภาพเชิงคำนวณสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพในที่แสงน้อย ขยายความชัดลึก ประมาณแผนที่ความลึก และรวมภาพถ่ายหลายภาพเข้าเป็นภาพเดียวได้ ส่วนในด้านการถ่ายภาพทางวิทยาศาสตร์ วิธีการที่เกี่ยวข้องจะถูกนำมาใช้เพื่อการวัดเชิงปริมาณมากกว่าการปรับปรุงคุณภาพภาพเพียงอย่างเดียว

โดยทั่วไปแล้วอัลกอริธึมการสร้างภาพเชิงคำนวณจะถูกกำหนดในรูปแบบของปัญหาผกผัน ค่าที่วัดได้จะสัมพันธ์กับวัตถุที่ไม่ทราบค่าโดยใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของระบบการสร้างภาพ จากนั้นอัลกอริธึมการสร้างภาพจะประมาณค่าวัตถุที่อธิบายข้อมูลที่วัดได้ดีที่สุดภายใต้แบบจำลองนั้น

ขั้นตอนการทำงานโดยทั่วไปประกอบด้วยขั้นตอนต่อไปนี้:

1. กำหนดแบบจำลองเชิงคาดการณ์ (forward model) ที่ทำนายค่าที่วัดได้จากวัตถุเป้าหมาย ตัวอย่างเช่น ในการถ่ายภาพเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ (CT) แบบจำลองจะอธิบายว่ารังสีเอกซเรย์ลดทอนลงอย่างไรตามเส้นทางที่ผ่านวัตถุ ในการถ่ายภาพด้วยการเลี้ยวเบนแบบโคherent (coherent diffraction imaging) แบบจำลองจะอธิบายว่าคลื่นโคherent กระเจิงและก่อให้เกิดรูปแบบการเลี้ยวเบนอย่างไร
2. เลือกฟังก์ชันเป้าหมายหรือตัวประมาณค่า ซึ่งอาจเป็นค่าความคลาดเคลื่อนกำลังสองน้อยที่สุด ฟังก์ชันความน่าจะเป็นตามสถิติของสัญญาณรบกวน หรือฟังก์ชันเป้าหมายแบบปรับปรุงที่รวมข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับวัตถุนั้นไว้ด้วย
3. ใช้อัลกอริธึมในการประมาณค่าวัตถุ วิธีการทั่วไป ได้แก่ การผกผันโดยตรง การฉายย้อนกลับแบบกรอง การสร้างใหม่แบบฟูริเยร์ การสร้างใหม่แบบวนซ้ำ การปรับให้เหมาะสมแบบนูน การปรับให้เหมาะสมตามเกรเดียนต์ การฉายภาพสลับ และการสร้างใหม่โดยใช้การเรียนรู้ของเครื่อง
4. ตรวจสอบความถูกต้องของการสร้างใหม่โดยใช้การจำลอง วัตถุสอบเทียบ การวัดอิสระ การประมาณค่าความไม่แน่นอน หรือการทดสอบความสามารถในการทำซ้ำ

วิธีการสร้างภาพเชิงคำนวณหลายวิธีใช้ข้อจำกัดหรือข้อมูลเบื้องต้น ตัวอย่างเช่น ข้อจำกัดเรื่องค่าไม่เป็นลบ การรองรับแบบจำกัด ความเบาบาง ความเรียบ ข้อจำกัดการแพร่กระจายคลื่นทางกายภาพ และความสอดคล้องของการทับซ้อนในพทิโคกราฟี ข้อจำกัดเหล่านี้สามารถปรับปรุงการสร้างภาพใหม่จากข้อมูลที่ไม่สมบูรณ์หรือมีสัญญาณรบกวนได้ แต่ก็อาจทำให้ผลลัพธ์คลาดเคลื่อนได้หากไม่ตรงกับวัตถุจริงหรือเงื่อนไขการวัด^{[ 16 ] [ 23 ] [ 24 ]}

การสร้างภาพด้วยคอมพิวเตอร์สามารถกู้คืนข้อมูลที่ยากหรือเป็นไปไม่ได้ที่จะได้รับจากการสร้างภาพโดยตรงแบบดั้งเดิมได้ แต่ก็ไม่ได้เป็นอิสระจากสมมติฐานในการทดลอง ภาพที่สร้างขึ้นใหม่เป็นผลลัพธ์ที่ได้จากการอนุมาน ข้อผิดพลาดในการสอบเทียบ การจัดแนว การสร้างแบบจำลองสัญญาณรบกวน การตอบสนองของตัวตรวจจับ แสงสว่าง การเคลื่อนไหว หรือแบบจำลองทางกายภาพที่สมมติขึ้น อาจทำให้เกิดสิ่งผิดปกติขึ้นได้

ดังนั้น การตรวจสอบความถูกต้องจึงเป็นหัวใจสำคัญของการสร้างภาพด้วยคอมพิวเตอร์ที่น่าเชื่อถือ แนวทางทั่วไป ได้แก่ การสร้างภาพวัตถุทดสอบที่ทราบค่า การเปรียบเทียบกับวิธีการอิสระ การใช้ข้อมูลจำลองที่มีค่าความจริงที่ทราบ การตรวจสอบความเสถียรของการสร้างภาพใหม่ภายใต้การเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์ การประเมินความไม่แน่นอน และการทำให้ข้อมูลและรหัสพร้อมใช้งานสำหรับการวิเคราะห์อิสระ ประเด็นเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในสถานการณ์ที่มีความเสี่ยงสูง เช่น การสร้างภาพทางการแพทย์ และในการอ้างอิงทางวิทยาศาสตร์ที่ขึ้นอยู่กับความแตกต่างเชิงปริมาณเล็กน้อย

ตัวอย่างของซอฟต์แวร์ที่ใช้ในการประมวลผลภาพ การสร้างภาพขึ้นใหม่ กล้องจุลทรรศน์ หรือการวิเคราะห์ภาพทางการแพทย์ ได้แก่:

• อิมเมจเจ
• 3D Slicer
• ITK-SNAP
• เซลล์โปรไฟล์
• ฟรีเซิร์ฟเฟอร์

• กล้องจุลทรรศน์เชิงคำนวณ
• การถ่ายภาพการเลี้ยวเบนที่สอดคล้องกัน
• พีทิโคกราฟี
• ฟูริเยร์พทิโคกราฟี
• การถ่ายภาพเชิงคำนวณ
• การตรวจจับแบบบีบอัด
• การสร้างภาพขึ้นใหม่
• ปัญหาผกผัน
• การดึงเฟส

• วารสาร IEEE Transactions on Computational Imaging
• การถ่ายภาพเชิงคำนวณ
• กล้องจุลทรรศน์เชิงคำนวณ