李明麗

人類具有很強的識別能力，從嬰幼兒時期，我們就開始識別不同的聲音、不同的事物、不同的場景等。這樣的能力也可以在其他生物中被發(fā)現(xiàn)：貓可以知道回家的路，狗能夠識別主人的腳印，蜜蜂會發(fā)現(xiàn)它要采蜜的花……而學習人類（或其他生物系統(tǒng)）在所處環(huán)境中發(fā)現(xiàn)、區(qū)別和找出特征從而標識出觀察結(jié)果的本領(lǐng)就是模式識別。

以模式識別為代表的人工智能技術(shù)是21世紀最偉大的科技進展之一。在過去的幾十年里，模式識別技術(shù)在文字識別、語音識別、遙感、醫(yī)學診斷等方向的應(yīng)用研究發(fā)展迅速。特別是近些年來，隨著信息化技術(shù)和人工智能的不斷普及，模式識別技術(shù)在生活中越來越多地被應(yīng)用。同時，其廣闊的發(fā)展前景，也吸引著越來越多的人投身其中，北京航空航天大學計算機學院教授百曉就是該領(lǐng)域的一位探索者。

2002年，他前往英國約克大學系統(tǒng)學習了模塊識別的相關(guān)知識。之后，他回到國內(nèi)，立足北京航空航天大學計算機學院這個研究平臺，對模塊識別技術(shù)的基礎(chǔ)理論及應(yīng)用持續(xù)進行了深入的研究，并取得了一系列創(chuàng)新成果。他與其導(dǎo)師提出了“基于圖結(jié)構(gòu)的圖像高層結(jié)構(gòu)信息的提取與表示”理論模型和框架；針對高光譜遙感數(shù)據(jù)，提出了解決遙感小目標分析的關(guān)鍵理論和技術(shù)；實現(xiàn)了探月巡視器“視覺里程”計算和“雙目測距”功能。未來，立足于已經(jīng)取得的科研成就，百曉及其團隊將繼續(xù)開拓創(chuàng)新、積極進取，致力于在模式識別領(lǐng)域開辟出更廣闊的天地。

情牽科研，理論創(chuàng)新

1958年，北京航空航天大學建立了計算機專業(yè)，經(jīng)過20年的發(fā)展，又于1978年成立計算機科學與工程系（現(xiàn)已發(fā)展成為計算機學院），至今已走過60年的發(fā)展歷程。百曉本科畢業(yè)于這所積淀深厚的學府。

百曉回憶道：“我們當時對計算機的理解還比較淺，大家普遍關(guān)注的一個問題是，你要做軟件，還是做硬件?！敝钡剿髮W畢業(yè)后，前往英國攻讀博士，他才真正了解到，原來計算機這門學科還可以分化出這么多專業(yè)。

在英國約克大學，百曉學了4年的模式識別，博士畢業(yè)后，他前往英國巴斯大學多媒體研究中心任研究科學家，又從事了3年的相關(guān)研究，積累了深厚的學術(shù)功底和豐富的科研經(jīng)驗。2009年，他學成歸國，入駐北京航空航天大學。談及落腳北京航空航天大學的原因，他表示：一是北京航空航天大學是他的母校，他對它有著非常深厚的感情；二是北京航空航天大學計算機學院經(jīng)歷60多年的艱苦奮斗，取得了一個又一個輝煌的業(yè)績，為國家培養(yǎng)了一批又一批計算機專業(yè)人才，始終走在我國計算機高等教育與科學研究的前列。

“模式識別實際上是人工智能技術(shù)非常重要的一個基礎(chǔ)學科”，回國后，百曉重點在基于圖結(jié)構(gòu)的數(shù)字媒體分析基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)方面展開了研究。在此之前，百曉和他的博士生導(dǎo)師Edwin Hancock教授合作，已經(jīng)在圖結(jié)構(gòu)模式識別和結(jié)構(gòu)化模式識別有過深入的研究，立足于這些研究經(jīng)驗，他在該項目中提出了一系列基于圖結(jié)構(gòu)的媒體數(shù)據(jù)表達和處理方法，完成了數(shù)字圖像和視頻等相關(guān)媒體數(shù)據(jù)中的高層結(jié)構(gòu)信息建模，解決了媒體數(shù)據(jù)分析中的諸多關(guān)鍵問題。

具體來說，在“基于圖結(jié)構(gòu)的數(shù)字媒體分析基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究”項目中，百曉牽頭從三個方面進行了理論創(chuàng)新：

一是基于圖結(jié)構(gòu)的圖像高層結(jié)構(gòu)信息的提取與表示。項目團隊在圖像和視頻的分析過程中，提出了可以提取圖像目標高層結(jié)構(gòu)信息的理論并利用圖理論對結(jié)構(gòu)信息進行表示，在更好地提取圖像和視頻中穩(wěn)定不變的特征的同時解決了不同圖像表現(xiàn)形式下的目標分析中特征提取的問題。他們提出的基于高層結(jié)構(gòu)信息的多階特征表達方法提高了人臉圖像分析效率，所提出的多源特征篩選與組合方法大幅度提高了圖像和視頻的分析性能。

二是基于圖結(jié)構(gòu)的特征融合與匹配。為更好地解決媒體處理中圖像匹配、特征表示以及特征融合等問題，項目團隊提出了基于結(jié)構(gòu)遷移的稀疏表示方法，通過優(yōu)化特征表示，提升了媒體數(shù)據(jù)分析效率；提出了特征增強理論，根據(jù)圖像或視頻目標的特點選擇不同特征的表達和組合，在提高各種特征利用效率的同時減少了冗余信息的負面影響；首次提出了圖映射理論，并利用此理論更好地解決了立體視覺以及三維建模中的關(guān)鍵問題。

三是基于圖結(jié)構(gòu)的目標檢索與識別。該項目實現(xiàn)了基于圖譜哈希的媒體數(shù)據(jù)檢索新機制，提高了圖像和視頻檢索以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)檢索的性能；提出了基于增量半監(jiān)督的圖像分析方法，減少了對標注數(shù)據(jù)的依賴，實現(xiàn)了可應(yīng)用于海量媒體數(shù)據(jù)分析的檢索系統(tǒng)；提出了基于結(jié)構(gòu)模型的運動檢測方法，解決了復(fù)雜背景下的視頻分析與檢索中隨機特征選取問題，提高了效率。

項目成果在圖像目標識別、圖像檢索、圖像分類以及視頻追蹤等方面的相關(guān)應(yīng)用取得了很好的效果，還應(yīng)用在了媒體數(shù)據(jù)檢索、遙感圖像目標分析以及海量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的分析和處理中。2013年，百曉以第一完成人榮獲了中國電子學會自然科學獎一等獎。

攻堅克難，服務(wù)國防

在百曉的研究工作中，有一項不得不提的工作，即他實現(xiàn)了探月巡視器“視覺里程”計算和“雙目測距”功能，在“探月工程”二期中被應(yīng)用，并在探月巡視器上發(fā)揮了重要作用。

2004年，我國正式開展月球探測工程，并命名為“嫦娥工程”，分為“繞”“落”“回”3個階段。2007年10月24日，我國第一顆月球探測衛(wèi)星“嫦娥一號”成功發(fā)射，實現(xiàn)了月球探測衛(wèi)星繞月飛行，通過遙感探測，獲取月球表面三維影像，探測月球表面有用元素含量和物質(zhì)類型，探測月壤特性，并在月球探測衛(wèi)星奔月飛行過程中探測地月空間環(huán)境。2010年，“嫦娥二號”成功發(fā)射，拉開了探月工程二期工程的序幕。

探月工程二期攜帶探月巡視器進行月面巡視，但巡視器如何對周圍復(fù)雜月面環(huán)境進行導(dǎo)航和避障，是巡視器成功開展工作的先決條件和難點之一。傳統(tǒng)的地面導(dǎo)航設(shè)備，如GPS、雷達以及車輪定位等系統(tǒng)，在月球無法發(fā)揮作用?！霸诘厍蛏峡雌饋砗芎媒鉀Q的事情，在月球上就會變得很難，比如在地球上，用車輪計算里程，但是月球上的土太松軟了，車輪里程定位就會不準確；地球上，汽車可以用GPS，但是我們不能在月球上用，那樣成本太高了，而激光雷達功耗又太高。”百曉介紹說。

相比之下，視覺系統(tǒng)具有體積重量小、功耗小的特點，因此是解決探月巡視器定位和避障的良好選擇。探月巡視器拍攝的圖像分辨率不高且拍攝間隔大，同時月球場景光線不足且相似度高，因此提取圖像特征困難，對圖像的匹配和分析也造成了困難，若采用傳統(tǒng)方法在精度和效率上都很難達到相關(guān)要求。對此，百曉采取了區(qū)域特征結(jié)構(gòu)化提取與匹配的方法，除了采用傳統(tǒng)的視覺特征提取，還增加了結(jié)構(gòu)化約束與驗證的步驟，解決了場景相似度高可能造成的匹配誤差大的問題，保證了隨后的視覺測距和視覺里程計算中的精度要求?？梢哉f，提高該系統(tǒng)定位和避障精度的關(guān)鍵就在于準確和高效的圖像匹配算法，因此他利用圖像匹配方面的優(yōu)勢為探月巡視器提供了一套性能優(yōu)異的避障系統(tǒng)和視覺里程系統(tǒng)。

該工作得到了使用單位——探月工程項目指揮中心的高度評價，指揮中心在視覺里程應(yīng)用證明中指出：“北京航空航天大學百曉老師研發(fā)的成果及提供的算法被探月工程二期所采納并發(fā)揮重要作用，巡視器成功避開危險障礙區(qū)域并計算了里程，圓滿完成了相關(guān)任務(wù)，為‘嫦娥三號探測器月面著陸成功提供重要的技術(shù)保障”；在雙目避障項目的應(yīng)用證明中指出：“該算法成功避開了障礙區(qū)域，精準完成了里程計算……著陸時開機工作正常，性能穩(wěn)定。同時申請人的工作還會繼續(xù)應(yīng)用于火星探索計劃”。

2015年，隨著人工智能的熱潮來臨，模式識別也成為業(yè)內(nèi)的“香餑餑”。這個時候，百曉更加注重解決實際問題，他將模式識別的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到多項重要領(lǐng)域，逐漸成長為一名優(yōu)秀的國防專家。他說：“北京航空航天大學本身就是一所具有國防特色的大學，它與國家的需求密切相關(guān)，專門為國家的重大國防工程解決問題。那么在智能化高速發(fā)展的今天，國防事業(yè)更需要一些‘新鮮血液加入進去?！?/p>

針對高光譜遙感數(shù)據(jù)，百曉提出了解決遙感小目標分析的關(guān)鍵理論和技術(shù)。相關(guān)工作獲得了多項重要科研項目支持，在航天和國防領(lǐng)域取得了應(yīng)用好評。除此之外，他率領(lǐng)團隊前往西藏高寒地區(qū)，克服種種困難將智能化手段和技術(shù)應(yīng)用到相關(guān)工作里。近幾年，他先后入選多個重要領(lǐng)域?qū)＜摇?/p>

實際上，百曉選擇獻身國防還有一個更深層的原因，他的爺爺是一名老紅軍，從老一輩那里，他傳承到了濃厚的愛國報國精神。他說道：“我爺爺那一輩人是經(jīng)歷過戰(zhàn)爭的一代人，知道國防事業(yè)對一個國家的重要性。我們更應(yīng)該明白科技對國防的意義，所以我們科研工作者應(yīng)以服務(wù)國家利益為最高宗旨?！痹傅么松沓髧?，百曉希望可以盡自己所能為中國的國防事業(yè)增添力量。

育人育德，知行合一

百曉的本科生導(dǎo)師是中國科學院院士懷進鵬教授。前往英國留學之前，懷進鵬教授曾對他說，博士生學的專業(yè)可能不一樣，但都需要做好一件事，那就是在科研中發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。多年來，這句教導(dǎo)對百曉有著深刻的影響，同時在科教工作中，他越來越能體會其中的深意，“發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的水平實際上代表著一個科研工作者的能力，這在科研領(lǐng)域是非常關(guān)鍵的”。

這些年來，百曉除了將自己的所學所知應(yīng)用于國防需求上，他還將自己的海外工作經(jīng)驗與國內(nèi)需求相結(jié)合，成功組織了國際上的一些重要會議，他本人還擔任了模式識別領(lǐng)域國際著名期刊Pattern Recognition副主編、Signal Processing副主編、Pattern Recognition Letter、IEEE JSTAR期刊客座編委以及Displays領(lǐng)域主編。

“北京航空航天大學的校訓是‘德才兼?zhèn)?、知行合一。德才兼?zhèn)湟笪覀兗纫邆涓呱械牡赖缕焚|(zhì)，又要具備扎實的專業(yè)才能；知行合一要求我們理論與實踐相結(jié)合，既要有知識，還要能夠解決實際問題。論文只是科研能力的一個方面，更重要的是，能夠把科研成果真正應(yīng)用到需求當中。”百曉說道。

無論是對自己的學生，還是對團隊中的成員，百曉常常強調(diào)北京航空航天大學的校訓。在博士生和碩士生的培養(yǎng)上，他要求學生從理論研究做起，但是理論和實踐一定要結(jié)合，不但要具備扎實的理論基礎(chǔ)，還要具備很強的動手能力。除此之外，他還要求團隊成員和學生一定要有服務(wù)國家的意識。

“大學很重要的一個職能就是服務(wù)社會，而北京航空航天大學又是一個具有國防特色的大學，所以服務(wù)意識很重要?！卑贂詧F隊目前已有20人左右，該團隊在與軍工企業(yè)合作時，往往不以科研經(jīng)費為目的，對他們來說更重要的是能夠?qū)⒊晒玫貞?yīng)用起來。他還常常告訴學生：“你們不要太在意利益，成就感來自你所做的貢獻，你能解決實際問題，就非常值得驕傲?！?/p>

目前，百曉承擔著本科生、碩士生和博士生的課程。他將國外的經(jīng)驗與國內(nèi)的經(jīng)驗相結(jié)合來開展教學工作。他鼓勵學生敢于質(zhì)疑自己，敢于挑戰(zhàn)權(quán)威，在科研工作上，為學生盡可能提供最好的環(huán)境和設(shè)備；在生活中，也盡力給予幫助，讓他們沒有后顧之憂。每年，百曉還會邀請十幾個國際團隊來校交流，為學生創(chuàng)造機會，與高水平的國際專家直接對話。

值得一提的是，百曉還鼓勵博士生獨立承擔科研項目并且親自配合學生完成一個完整的項目過程。他說：“他們早晚都要獨立承擔項目研究，如果在博士期間，他有這個能力，那就盡早讓他適應(yīng)，這對他們是非常有幫助的，我作為老師，全力配合就行?！?/p>

為師為研，孜孜不倦。在模式識別這個日新月異的領(lǐng)域中，百曉致力于實現(xiàn)更多創(chuàng)新，也致力于培育更多英才。