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邵晓鹏:求真求美,打破计算成像的“天花板”

邵晓鹏,现任西安电子科技大学物理与光电工程学院执行院长,光学工程学科带头人,陕西省“新体制光电成像与感知科技创新”科技创新团队带头人、“西安市计算成像重点实验室”主任、西安电子科技大学光电成像工程中心主任、西安电子科技大学省部级重点学科光学工程学科带头人、陕西省创新人才推进计划中青年科技创新领军人才,是国内最早开展计算成像研究的人员之一,在新体制光电成像与感知领域攻坚前沿基础研究并促进技术工程应用,率先在国内开展散射成像研究。

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《科学中国人》封面人物:邵晓鹏

  “在传统成像中,有些问题是无法解决的。比如,照相时会遇到雾霾影响的情况,那么,能不能把它清晰复原出来呢?”西安电子科技大学物理与光电工程学院执行院长、陕西省新体制光电成像与信息感知科技创新团队负责人、西安市计算成像重点实验室主任邵晓鹏介绍,这项工作是他最开始接触的计算成像领域的研究内容,而传统成像的“天花板”还远远不止如此。他要做的,是从信息的角度来分析,从数学的角度来建模,从计算的角度来解算,打破这些“天花板”。

  如今,作为国内最早开展计算成像研究的人员之一,邵晓鹏带领团队攻坚克难开展新体制光电成像与信息感知领域的前沿基础研究,并促进技术的工程应用,承担国家重大项目,注重前沿基础学术研究与工程应用研究相结合,紧跟国际趋势及国家重大需求,科研成果显著。近年来,邵晓鹏作为大会发起人倡导举办“计算成像技术与应用”系列专题研讨会,每年吸引近百所高校和科研院所参加,到会人数超500人,有力地促进了光学成像领域的多学科交叉融合,加速了相关学科的科技创新和成果转化,提高了计算成像技术在光学领域的影响力。他和团队在计算成像领域取得的一系列突出的科技新成果,不仅为学科发展做出了贡献,还在多领域的具体应用上解决了过去棘手的难题。

  可以说,爱好摄影和书法的邵晓鹏,以-颗追求美的心,在严苛的科研中绘制出-幅幅美不胜收的图景。

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为参观者介绍计算成像

打通计算成像的“任督二脉”

  一切的开端,还要从邵晓鹏与西安电子科技大学的缘分说起。

  当年,作为山东的高分考生,邵晓鹏选择了这所隶属于原电子部的学校。而选择留校工作,则是缓解农村家庭经济压力的最直接办法。近30年来,从本科到博士,从读书到工作,邵晓鹏心中始终对母校有着不一样的情愫。

  2005年,邵晓鹏获西安电子科技大学博士学位,在母校继续任教。工作中,邵晓鹏一直奋斗在科研与教学一线,将青春和精力奉献在学术研究和工程技术的应用中。受母校培养多年,他一直通过这种方式,默默无闻地反哺母校。对于推进母校发展,他也有-种急迫的心情。

  从红外场景仿真到目标特性分析等技术的研究,再到后来的图像处理与模式识别技术研究等,邵晓鹏最初的研究领域并不是计算成像。而对于计算成像研究领域的科研兴趣,缘起于做访问学者期间他与数学家的思维碰撞和内心对光学发展方向的深入思考。

  那是在2009年,邵晓鹏到美国佐治亚理工学院做访问学者,当时他的合作导师是图像处理数学和信息处理领域的“大咖”-- Haomin Zhou教授。

  “我一开始想做图像处理,后来周老师跟我说,你应该去做光学。其实那时候我已经很多年没有做过光学了。我觉得这蛮有意思的,我们西安电子科技大学的优势是利用数学理论进行信息处理,如果将其再与光学结合,做计算成像就是天然的。”邵晓鹏说,从那之后,他就大量阅读相关方面的论文。阅读量有多大呢?用他自己的话来说:“看过的资料,如果打印出来可能有一人之高。”

  阅读为邵晓鹏日后的科研工作做了充分的储备和积累,而身处多位数学家周边,受他们影响邵晓鹏也通过思考与总结,形成了稳定的科研素养与思维习惯。邵晓鹏觉得,访学的这段时光及在科研工作方面的沉淀令他受益至今。

  可以说,通过数学思维和光学技术的"碰撞”,邵晓鹏似乎打通了计算成像的“任督二脉”。2010年,邵晓鹏刚回国的时候,国内对计算成像的研究和了解还不多;而10年后的今天,在邵晓鹏和同行的努力下,计算成像已经成为光电成像领域最具前景的研究热点之一。

  近年来,凭借着在计算成像领域的科研进展,以及不断被攻克的技术难题,邵晓鹏取得了累累硕果。与此同时,他还在多个学术组织中任职:国防工业光电信息技术与安全技术重点实验室学术委员会委员、中国科学院航空光学成像与测量重点实验室学术委员会委员、中航工业红外探测器技术重点实验室学术委员会委员、陕西省光学学会副理事长、华为媒体技术实验室技术咨询委员会顾问等,《光子学报》《激光与光电子学进展》等9个期刊编委。在人才培养方面,团队也涌现出了西安市计算成像重点实验室副主任、华山菁英教授刘飞等在计算成像领域有显著特色及成果的青年才俊。

  在邵晓鹏和团队的带动下,我国计算成像领域的许多研究也已跻身于国际第一梯队。“对于散射成像、偏振成像、三维成像等研究方向,我还是蛮有自信的。”谈起我国计算成像在国际上的水平,邵晓鹏笑道。

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带领研究生讨论关于计算成像的问题

全方位发展团队的“聚宝盆"

  “计算成像的发展前景非常好,研究的覆盖面也相对较宽。现在手机不仅可以做出4个镜头,还能拍月亮,其实这里面用的技术都是计算成像。”邵晓鹏透露,其团队正在与华为技术有限公司合作进行偏振三维成像技术的研究。如果该技术应用到手机上,拍一张照片就可以实现三维立体的成像。

  这些年,邵晓鹏在工程应用方面,一直致力于图像处理模式识别、图像质量提升等方面的光电仪器研制测试,解决了这些精密仪器的国产化问题。邵晓鹏介绍,计算成像是一个基础研究和工程应用结合非常紧密的领域。一方面要做前沿的基础研究,另一方面要做工程应用,而且这个领域的研究方向很多,运转起来需要一个全方位发展的团队。

  据邵晓鹏介绍,团队秉承“崇尚学术,回归工程”的科研理念,注重学科延伸及交叉,前沿研究与工程应用融合。团队现有教授3 人、 副教授11人, 讲师8人,工程师4人,博硕研究生100余人。在邵晓鹏的支持下,团队青年教师和博士生赴国外进行访学交流,与学术界内知名学者进行深入合作,有效提升了人才培养质量及光电成像技术的发展。

  近年来,邵晓鹏和团队承担了包括国家自然科学基金在内的多项重要课题,突破了计算成像领域的多个难题。基于多年来扎实理论基础和雄厚研究实力的积累,团队亦多次获得原信息产业部、陕西省教工委、航空工业总公司等省部级奖项,发表百余篇学术论文,其中多篇文章获得期刊优秀论文、编辑 推荐Spotlight论文以及Top download 论文;授权发明专利80余项,编写教材及专著4部。

  同时,团队在前沿研究、工程应用和样机开发三方面都取得了显著的成就:前沿研究方面,科研进展突出。团队进行的计算成像技术研究,在透过随机散射介质成像技术方面,紧跟国际学术趋势,对散射成像这一问题进行了深入的分析和研究,可透过生物组织、云层、烟尘、水雾等散射介质实现对遮蔽目标实时探测,在生物医学、目标跟踪、城市反恐等领域具有研究价值以及工程应用前景,在广域高分辨率成像方面,团队利用计算光学的思想结合信息传递理论,克服传统成像视场与成像分辨率不可兼顾的固有矛盾,实现远距离、大视场、高精度成像,提供更多信息;而在偏振成像方面,团队以邵晓鹏、刘飞为核心,打破常规信息利用方式,深度挖掘散射光场中的偏振信息,提出的水下偏振成像方法实现了透浑浊度水体成像,提高成像距离,有望为水下搜救提供技术支持;针对复杂光照水体环境实现无色彩畸变的水下目标真实场景清晰成像,能用于海洋环境监控和水下考古等;提出一种高精度被动式单目偏振三维成像技术,突破了三维成像技术中成像距离与成像精度相互制约的瓶颈问题,首次实现了38.6万公里对月球表面的三维重建;该技术还有望用于人脸解锁、海关闸口监测、文物保护、自动驾驶和避障等应用领域。

  在光电图像处理与模式识别的工程应用方面,团队也取得一系列成绩。团队基于光电成像研究,开发设计相应算法从而促进成像系统的广泛使用,算法涉及图像超分辨率重建、光电图像增强技术、红外弱小目标检测、运动目标追踪、目标识别等多个方向。与此同时,团队还侧重工程实现,开发了GPU架构的实时深度去雾系统,有效地解决了现有算法计算量大、效率低的问题。此外,他们还发布了自研成果视频处理软件"VideoShooter”共享同行使用。

  而在光电仪器研制与测试以及样机开发方面,团队同样取得了不凡的成绩,一系列技术成果促进了新体制光电成像技术的装备应用。其自主研制的广域高分辨率凝视相机,在全球首次获得32亿超高像素成像,成果入选陕西省高校“砥砺奋进的五年”教育成就展。如今,团队在仪器国产化方面也进行了布局和推进:研制的处理器阵列图像实时处理系统和便携式外场实验综合信息处理系统,已向国内多家科研院所提供使用;研制的中波红外和紫外功率稳定系统实现了10-10w的最小功率检测级别,达到国际先进检测水平,打破国际技术垄断。研制的基于光腔衰荡法的光学谐振腔损耗测量系统,打破国际技术封锁,实现了优于100ppm的调控精度,应用后大幅提高了激光陀螺仪的生产效率和良品率,累计产生上亿元的经济效益......

  可以说,这三方面的成果汇集在一起,就像被装进了一个“聚宝盆",而这个全方位发展的团队也依托着“聚宝盆”里的宝藏,不断生发出新的研究和应用。

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向领导汇报散射成像工作

散射成像的突破口

  作为计算成像领域的一个研究方向,散射成像技术的应用领域非常广泛。

  比如,在医学成像中,透过皮肤观察其内部神经结构或者跟踪活体细胞或病毒时,皮肤和组织对光波的散射往往导致观察与跟踪无法完成;在军事安全领域中,云层和烟雾等散射介质会严重阻碍观测者的视线,使得跟踪或者救援等行动无法正常进行;而在生命科学领域,常常需要观测活体中的细胞或组织,对样本的完整性及成像的效率都有很高的要求。

  邵晓鹏和团队在散射成像方面针对成像谱段的难点问题,提出一种利用宽谱光源实现非侵入式实时散射成像方法。“以光学记忆效应为基础,深入分析散斑场图像之间的相关性与光源谱宽、中心波长之间的关系,依据线性成像系统点扩散函数的线性叠加关系,构建宽谱光源照明的非侵入式散射成像模型。然后,采用稀疏约束作为先验信息实现基于相位恢复的图像重建,放宽利用支撑域作为先验信息的限制,提高重建过程的收敛率。"邵晓鹏介绍,在研究静态散射成像的基础上,他们通过采集不同时间序列的散斑场图像进行互相关运算,透过散射介质对运动目标的位置进行实时监测,结合图像重建算法能够对该目标进行成像,最终实现对活体动态物质的实时观测。

  可以说,该项目的实施,从物理上解释了透过散射介质成像的机理,从而实现了对运动目标的动态观测。而这一项目的科研价值在国际上亦处于领先水平,给同行进行类似研究以很好的启发。

  此后,邵晓鹏和团队深入挖掘了散射介质“动起来"后对成像的影响,开展了透过动态散射介质成像技术的研究,该研究透过云层、雾霾、浑浊水体、活体生物组织等动态散射介质实现高分辨率成像具有突破性的理论意义和应用前景。

  其实,无论动态散射介质存在肉眼可见的快速宏观运动,还是介质内部颗粒的微观振动,均会致使散射介质的传输平均自由程、去相关时间及去相关带宽等物理参量发生变化,导致光波在静态散射介质中的传输特性理论无法适用于动态散射介质。因此,研究光波与动态散射介质的相互作用机理及光波在介质中的传输物理特性,构建透过动态散射介质的成像物理模型,实现光波透过雾霾、烟尘、浑浊水体、活体生物组织等动态随机散射介质的光学成像,具有重要理论意义。

  “但是近年来,透过散射介质的成像方法均苛守严格的条件,且散射介质在成像过程中需处于静止状态,对介质的厚度也有严格要求。考虑到实际应用的需求,散射介质往往存在宏观或微观的运动,具有时变特性,现有的散射成像方法很难适用于动态散射介质成像。”邵晓鹏介绍,为了解决透过动态散射介质成像的难题,团队以探究动态散射介质的散射特性与统计理论为基础,确定动态散射介质成像的边界条件;同时,依据远场散斑时间平均动态面散射介质成像模型,建立透过动态体散射介质的成像物理模型,最终实现透过动态体散射介质成像。

  无论是“宽谱散射成像技术”的成功,还是“透过动态散射介质成像技术”的重大突破,都为散射成像这一细分科研方向的发展提供了很好的借鉴和启发,而这些研究也为团队日后研制相关计算成像样机奠定了良好的基础。

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生活中的邵晓鹏

  不断攀登科研高峰

  做好项目攻关不容易,做好团队管理也需要煞费苦心。尤其邵晓鹏所在的是前沿研究、工程应用与样机开发不分家的研究领域,团队协作至关重要。“有时候,各项工作之间会有时间冲突,就需要权衡。我一直给团队讲,每天要列三件最为重要的事情,其他事情都不重要。"权衡好轻重缓急、主次先后,邵晓鹏总是能用充沛的精力,带领团队不断向科研的高峰攀登。

  在科研上,专注计算成像研究的邵晓鹏,业余生活中的爱好也很广泛,最爱摄影和书法,也喜欢历史和文学。在他看来,拥有一颗追求美的心,也是自然科学研究中不可或缺的,因为科学研究本来就是一场求真、求美的旅程,以求美之心前行,方能收获一路风景。

  探寻前沿、追逐未知,在求真求美的路上,不知疲倦的邵晓鹏正昂首阔步。


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