范佳樂(lè)

“在傳統(tǒng)成像中，有些問(wèn)題是無(wú)法解決的。比如，照相時(shí)會(huì)遇到霧霾影響的情況，那么，能不能把它清晰復(fù)原出來(lái)呢？”西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院執(zhí)行院長(zhǎng)、陜西省新體制光電成像與信息感知科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、西安市計(jì)算成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任邵曉鵬介紹，這項(xiàng)工作是他最開(kāi)始接觸的計(jì)算成像領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容，而傳統(tǒng)成像的“天花板”還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止如此。他要做的，是從信息的角度來(lái)分析，從數(shù)學(xué)的角度來(lái)建模，從計(jì)算的角度來(lái)解算，打破這些“天花板”。

如今，作為國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展計(jì)算成像研究的人員之一，邵曉鵬帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難開(kāi)展新體制光電成像與信息感知領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)研究，并促進(jìn)技術(shù)的工程應(yīng)用，承擔(dān)國(guó)家重大項(xiàng)目，注重前沿基礎(chǔ)學(xué)術(shù)研究與工程應(yīng)用研究相結(jié)合，緊跟國(guó)際趨勢(shì)及國(guó)家重大需求，科研成果顯著。近年來(lái)，邵曉鵬作為大會(huì)發(fā)起人倡導(dǎo)舉辦“計(jì)算成像技術(shù)與應(yīng)用”系列專(zhuān)題研討會(huì)，每年吸引近百所高校和科研院所參加，到會(huì)人數(shù)超500人，有力地促進(jìn)了光學(xué)成像領(lǐng)域的多學(xué)科交叉融合，加速了相關(guān)學(xué)科的科技創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化，提高了計(jì)算成像技術(shù)在光學(xué)領(lǐng)域的影響力。他和團(tuán)隊(duì)在計(jì)算成像領(lǐng)域取得的一系列突出的科技新成果，不僅為學(xué)科發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，還在多領(lǐng)域的具體應(yīng)用上解決了過(guò)去棘手的難題。

可以說(shuō)，愛(ài)好攝影和書(shū)法的邵曉鵬，以一顆追求美的心，在嚴(yán)苛的科研中繪制出一幅幅美不勝收的圖景。

信息處理+光學(xué)：打通計(jì)算成像的“任督二脈”

一切的開(kāi)端，還要從邵曉鵬與西安電子科技大學(xué)的緣分說(shuō)起。

當(dāng)年，作為山東的高分考生，邵曉鵬選擇了這所隸屬于原電子部的學(xué)校。而選擇留校工作，則是緩解農(nóng)村家庭經(jīng)濟(jì)壓力的最直接辦法。近30年來(lái)，從本科到博士，從讀書(shū)到工作，邵曉鵬心中始終對(duì)母校有著不一樣的情愫。

2005年，邵曉鵬獲西安電子科技大學(xué)博士學(xué)位，在母校繼續(xù)任教。工作中，邵曉鵬一直奮斗在科研與教學(xué)一線(xiàn)，將青春和精力奉獻(xiàn)在學(xué)術(shù)研究和工程技術(shù)的應(yīng)用中。受母校培養(yǎng)多年，他一直通過(guò)這種方式，默默無(wú)聞地反哺母校。對(duì)于推進(jìn)母校發(fā)展，他也有一種急迫的心情。

從紅外場(chǎng)景仿真到目標(biāo)特性分析等技術(shù)的研究，再到后來(lái)的圖像處理與模式識(shí)別技術(shù)研究等，邵曉鵬最初的研究領(lǐng)域并不是計(jì)算成像。而對(duì)于計(jì)算成像研究領(lǐng)域的科研興趣，緣起于做訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者期間他與數(shù)學(xué)家的思維碰撞和內(nèi)心對(duì)光學(xué)發(fā)展方向的深入思考。

生活中的邵曉鵬

那是在2009年，邵曉鵬到美國(guó)佐治亞理工學(xué)院做訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者，當(dāng)時(shí)他的合作導(dǎo)師是圖像處理數(shù)學(xué)和信息處理領(lǐng)域的“大咖”——Haomin Zhou教授。

“我一開(kāi)始想做圖像處理，后來(lái)周老師跟我說(shuō)，你應(yīng)該去做光學(xué)。其實(shí)那時(shí)候我已經(jīng)很多年沒(méi)有做過(guò)光學(xué)了。我覺(jué)得這蠻有意思的，我們西安電子科技大學(xué)的優(yōu)勢(shì)是利用數(shù)學(xué)理論進(jìn)行信息處理，如果將其再與光學(xué)結(jié)合，做計(jì)算成像就是天然的?！鄙蹠赠i說(shuō)，從那之后，他就大量閱讀相關(guān)方面的論文。閱讀量有多大呢？用他自己的話(huà)來(lái)說(shuō)：“看過(guò)的資料，如果打印出來(lái)可能有一人之高?！?/p>

為參觀者介紹計(jì)算成像

閱讀為邵曉鵬日后的科研工作做了充分的儲(chǔ)備和積累，而身處多位數(shù)學(xué)家周邊，受他們影響邵曉鵬也通過(guò)思考與總結(jié)，形成了穩(wěn)定的科研素養(yǎng)與思維習(xí)慣。邵曉鵬覺(jué)得，訪(fǎng)學(xué)的這段時(shí)光及在科研工作方面的沉淀令他受益至今。

可以說(shuō)，通過(guò)數(shù)學(xué)思維和光學(xué)技術(shù)的“碰撞”，邵曉鵬似乎打通了計(jì)算成像的“任督二脈”。2010年，邵曉鵬剛回國(guó)的時(shí)候，國(guó)內(nèi)對(duì)計(jì)算成像的研究和了解還不多；而10年后的今天，在邵曉鵬和同行的努力下，計(jì)算成像已經(jīng)成為光電成像領(lǐng)域最具前景的研究熱點(diǎn)之一。

近年來(lái)，憑借著在計(jì)算成像領(lǐng)域的科研進(jìn)展，以及不斷被攻克的技術(shù)難題，邵曉鵬取得了累累碩果。與此同時(shí)，他還在多個(gè)學(xué)術(shù)組織中任職：國(guó)防工業(yè)光電信息技術(shù)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)委員、中國(guó)科學(xué)院航空光學(xué)成像與測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)委員、中航工業(yè)紅外探測(cè)器技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)委員、陜西省光學(xué)學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、華為媒體技術(shù)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)咨詢(xún)委員會(huì)顧問(wèn)等，《光子學(xué)報(bào)》《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》等9個(gè)期刊編委。在人才培養(yǎng)方面，團(tuán)隊(duì)也涌現(xiàn)出了西安市計(jì)算成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、華山菁英教授劉飛等在計(jì)算成像領(lǐng)域有顯著特色及成果的青年才俊。

在邵曉鵬和團(tuán)隊(duì)的帶動(dòng)下，我國(guó)計(jì)算成像領(lǐng)域的許多研究也已躋身于國(guó)際第一梯隊(duì)。“對(duì)于散射成像、偏振成像、三維成像等研究方向，我還是蠻有自信的?！闭勂鹞覈?guó)計(jì)算成像在國(guó)際上的水平，邵曉鵬笑道。

前沿+應(yīng)用+樣機(jī)：全方位發(fā)展團(tuán)隊(duì)的“聚寶盆”

“計(jì)算成像的發(fā)展前景非常好，研究的覆蓋面也相對(duì)較寬?，F(xiàn)在手機(jī)不僅可以做出4個(gè)鏡頭，還能拍月亮，其實(shí)這里面用的技術(shù)都是計(jì)算成像?！鄙蹠赠i透露，其團(tuán)隊(duì)正在與華為技術(shù)有限公司合作進(jìn)行偏振三維成像技術(shù)的研究。如果該技術(shù)應(yīng)用到手機(jī)上，拍一張照片就可以實(shí)現(xiàn)三維立體的成像。

這些年，邵曉鵬在工程應(yīng)用方面，一直致力于圖像處理模式識(shí)別、圖像質(zhì)量提升等方面的光電儀器研制測(cè)試，解決了這些精密儀器的國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題。邵曉鵬介紹，計(jì)算成像是一個(gè)基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用結(jié)合非常緊密的領(lǐng)域。一方面要做前沿的基礎(chǔ)研究，另一方面要做工程應(yīng)用，而且這個(gè)領(lǐng)域的研究方向很多，運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)需要一個(gè)全方位發(fā)展的團(tuán)隊(duì)。

邵曉鵬所帶領(lǐng)的西安電子科技大學(xué)光電成像工程中心就是這樣一個(gè)全方位發(fā)展的團(tuán)隊(duì)。該中心以“復(fù)雜環(huán)境光電信息感知科學(xué)與技術(shù)”創(chuàng)新引智111基地、陜西省“新體制光電成像與感知科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”、西安市“計(jì)算成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、西安電子科技大學(xué)“先進(jìn)光學(xué)成像交叉前沿研究中心”為平臺(tái)，依托于光學(xué)工程優(yōu)勢(shì)學(xué)科，主要從事新體制光電成像、光電圖像處理與分析、光電儀器研制與測(cè)試等多個(gè)領(lǐng)域的研究。

據(jù)邵曉鵬介紹，團(tuán)隊(duì)秉承“崇尚學(xué)術(shù)，回歸工程”的科研理念，注重學(xué)科延伸及交叉，前沿研究與工程應(yīng)用融合。團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有教授3人、副教授11人，講師8人，工程師4人，博碩研究生100余人。在邵曉鵬的支持下，團(tuán)隊(duì)青年教師和博士生赴國(guó)外進(jìn)行訪(fǎng)學(xué)交流，與學(xué)術(shù)界內(nèi)知名學(xué)者進(jìn)行深入合作，有效提升了人才培養(yǎng)質(zhì)量及光電成像技術(shù)的發(fā)展。

近年來(lái)，邵曉鵬和團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了包括國(guó)家自然科學(xué)基金在內(nèi)的多項(xiàng)重要課題，突破了計(jì)算成像領(lǐng)域的多個(gè)難題?；诙嗄陙?lái)扎實(shí)理論基礎(chǔ)和雄厚研究實(shí)力的積累，團(tuán)隊(duì)亦多次獲得原信息產(chǎn)業(yè)部、陜西省教工委、航空工業(yè)總公司等省部級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)，發(fā)表百余篇學(xué)術(shù)論文，其中多篇文章獲得期刊優(yōu)秀論文、編輯推薦Spotlight論文以及Top download論文；授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利80余項(xiàng)，編寫(xiě)教材及專(zhuān)著4部。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)在前沿研究、工程應(yīng)用和樣機(jī)開(kāi)發(fā)三方面都取得了顯著的成就：

前沿研究方面，科研進(jìn)展突出。團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的計(jì)算成像技術(shù)研究，在透過(guò)隨機(jī)散射介質(zhì)成像技術(shù)方面，緊跟國(guó)際學(xué)術(shù)趨勢(shì)，對(duì)散射成像這一問(wèn)題進(jìn)行了深入的分析和研究，可透過(guò)生物組織、云層、煙塵、水霧等散射介質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)遮蔽目標(biāo)實(shí)時(shí)探測(cè)，在生物醫(yī)學(xué)、目標(biāo)跟蹤、城市反恐等領(lǐng)域具有研究?jī)r(jià)值以及工程應(yīng)用前景；在廣域高分辨率成像方面，團(tuán)隊(duì)利用計(jì)算光學(xué)的思想結(jié)合信息傳遞理論，克服傳統(tǒng)成像視場(chǎng)與成像分辨率不可兼顧的固有矛盾，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大視場(chǎng)、高精度成像，提供更多信息；而在偏振成像方面，團(tuán)隊(duì)以邵曉鵬、劉飛為核心，打破常規(guī)信息利用方式，深度挖掘散射光場(chǎng)中的偏振信息，提出的水下偏振成像方法實(shí)現(xiàn)了透渾濁度水體成像，提高成像距離，有望為水下搜救提供技術(shù)支持；針對(duì)復(fù)雜光照水體環(huán)境實(shí)現(xiàn)無(wú)色彩畸變的水下目標(biāo)真實(shí)場(chǎng)景清晰成像，能用于海洋環(huán)境監(jiān)控和水下考古等；提出一種高精度被動(dòng)式單目偏振三維成像技術(shù)，突破了三維成像技術(shù)中成像距離與成像精度相互制約的瓶頸問(wèn)題，首次實(shí)現(xiàn)了38.6萬(wàn)公里對(duì)月球表面的三維重建；該技術(shù)還有望用于人臉解鎖、海關(guān)閘口監(jiān)測(cè)、文物保護(hù)、自動(dòng)駕駛和避障等應(yīng)用領(lǐng)域。

在光電圖像處理與模式識(shí)別的工程應(yīng)用方面，團(tuán)隊(duì)也取得一系列成績(jī)。團(tuán)隊(duì)基于光電成像研究，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)相應(yīng)算法從而促進(jìn)成像系統(tǒng)的廣泛使用，算法涉及圖像超分辨率重建、光電圖像增強(qiáng)技術(shù)、紅外弱小目標(biāo)檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)追蹤、目標(biāo)識(shí)別等多個(gè)方向。與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還側(cè)重工程實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)了GPU架構(gòu)的實(shí)時(shí)深度去霧系統(tǒng)，有效地解決了現(xiàn)有算法計(jì)算量大、效率低的問(wèn)題。此外，他們還發(fā)布了自研成果視頻處理軟件“VideoShooter”共享同行使用。

而在光電儀器研制與測(cè)試以及樣機(jī)開(kāi)發(fā)方面，團(tuán)隊(duì)同樣取得了不凡的成績(jī)，一系列技術(shù)成果促進(jìn)了新體制光電成像技術(shù)的裝備應(yīng)用。其自主研制的廣域高分辨率凝視相機(jī)，在全球首次獲得32億超高像素成像，成果入選陜西省高?！绊频Z奮進(jìn)的五年”教育成就展。如今，團(tuán)隊(duì)在儀器國(guó)產(chǎn)化方面也進(jìn)行了布局和推進(jìn)：研制的處理器陣列圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)和便攜式外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)綜合信息處理系統(tǒng)，已向國(guó)內(nèi)多家科研院所提供使用；研制的中波紅外和紫外功率穩(wěn)定系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了10-10w的最小功率檢測(cè)級(jí)別，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)檢測(cè)水平，打破國(guó)際技術(shù)壟斷。研制的基于光腔衰蕩法的光學(xué)諧振腔損耗測(cè)量系統(tǒng)，打破國(guó)際技術(shù)封鎖，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于100ppm的調(diào)控精度，應(yīng)用后大幅提高了激光陀螺儀的生產(chǎn)效率和良品率，累計(jì)產(chǎn)生上億元的經(jīng)濟(jì)效益……

可以說(shuō)，這三方面的成果匯集在一起，就像被裝進(jìn)了一個(gè)“聚寶盆”，而這個(gè)全方位發(fā)展的團(tuán)隊(duì)也依托著“聚寶盆”里的寶藏，不斷生發(fā)出新的研究和應(yīng)用。

寬譜+動(dòng)態(tài)散射介質(zhì)：散射成像的突破口

作為計(jì)算成像領(lǐng)域的一個(gè)研究方向，散射成像技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。

比如，在醫(yī)學(xué)成像中，透過(guò)皮膚觀察其內(nèi)部神經(jīng)結(jié)構(gòu)或者跟蹤活體細(xì)胞或病毒時(shí)，皮膚和組織對(duì)光波的散射往往導(dǎo)致觀察與跟蹤無(wú)法完成；在軍事安全領(lǐng)域中，云層和煙霧等散射介質(zhì)會(huì)嚴(yán)重阻礙觀測(cè)者的視線(xiàn)，使得跟蹤或者救援等行動(dòng)無(wú)法正常進(jìn)行；而在生命科學(xué)領(lǐng)域，常常需要觀測(cè)活體中的細(xì)胞或組織，對(duì)樣本的完整性及成像的效率都有很高的要求。

向領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)散射成像工作

邵曉鵬和團(tuán)隊(duì)在散射成像方面針對(duì)成像譜段的難點(diǎn)問(wèn)題，提出一種利用寬譜光源實(shí)現(xiàn)非侵入式實(shí)時(shí)散射成像方法。“以光學(xué)記憶效應(yīng)為基礎(chǔ)，深入分析散斑場(chǎng)圖像之間的相關(guān)性與光源譜寬、中心波長(zhǎng)之間的關(guān)系，依據(jù)線(xiàn)性成像系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的線(xiàn)性疊加關(guān)系，構(gòu)建寬譜光源照明的非侵入式散射成像模型。然后，采用稀疏約束作為先驗(yàn)信息實(shí)現(xiàn)基于相位恢復(fù)的圖像重建，放寬利用支撐域作為先驗(yàn)信息的限制，提高重建過(guò)程的收斂率?！鄙蹠赠i介紹，在研究靜態(tài)散射成像的基礎(chǔ)上，他們通過(guò)采集不同時(shí)間序列的散斑場(chǎng)圖像進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，透過(guò)散射介質(zhì)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合圖像重建算法能夠?qū)υ撃繕?biāo)進(jìn)行成像，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)活體動(dòng)態(tài)物質(zhì)的實(shí)時(shí)觀測(cè)。

可以說(shuō)，該項(xiàng)目的實(shí)施，從物理上解釋了透過(guò)散射介質(zhì)成像的機(jī)理，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)觀測(cè)。而這一項(xiàng)目的科研價(jià)值在國(guó)際上亦處于領(lǐng)先水平，給同行進(jìn)行類(lèi)似研究以很好的啟發(fā)。

此后，邵曉鵬和團(tuán)隊(duì)深入挖掘了散射介質(zhì)“動(dòng)起來(lái)”后對(duì)成像的影響，開(kāi)展了透過(guò)動(dòng)態(tài)散射介質(zhì)成像技術(shù)的研究，該研究透過(guò)云層、霧霾、渾濁水體、活體生物組織等動(dòng)態(tài)散射介質(zhì)實(shí)現(xiàn)高分辨率成像具有突破性的理論意義和應(yīng)用前景。

其實(shí)，無(wú)論動(dòng)態(tài)散射介質(zhì)存在肉眼可見(jiàn)的快速宏觀運(yùn)動(dòng)，還是介質(zhì)內(nèi)部顆粒的微觀振動(dòng)，均會(huì)致使散射介質(zhì)的傳輸平均自由程、去相關(guān)時(shí)間及去相關(guān)帶寬等物理參量發(fā)生變化，導(dǎo)致光波在靜態(tài)散射介質(zhì)中的傳輸特性理論無(wú)法適用于動(dòng)態(tài)散射介質(zhì)。因此，研究光波與動(dòng)態(tài)散射介質(zhì)的相互作用機(jī)理及光波在介質(zhì)中的傳輸物理特性，構(gòu)建透過(guò)動(dòng)態(tài)散射介質(zhì)的成像物理模型，實(shí)現(xiàn)光波透過(guò)霧霾、煙塵、渾濁水體、活體生物組織等動(dòng)態(tài)隨機(jī)散射介質(zhì)的光學(xué)成像，具有重要理論意義。

帶領(lǐng)研究生討論關(guān)于計(jì)算成像的問(wèn)題

“但是近年來(lái)，透過(guò)散射介質(zhì)的成像方法均苛守嚴(yán)格的條件，且散射介質(zhì)在成像過(guò)程中需處于靜止?fàn)顟B(tài)，對(duì)介質(zhì)的厚度也有嚴(yán)格要求?？紤]到實(shí)際應(yīng)用的需求，散射介質(zhì)往往存在宏觀或微觀的運(yùn)動(dòng)，具有時(shí)變特性，現(xiàn)有的散射成像方法很難適用于動(dòng)態(tài)散射介質(zhì)成像。”邵曉鵬介紹，為了解決透過(guò)動(dòng)態(tài)散射介質(zhì)成像的難題，團(tuán)隊(duì)以探究動(dòng)態(tài)散射介質(zhì)的散射特性與統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)，確定動(dòng)態(tài)散射介質(zhì)成像的邊界條件；同時(shí)，依據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)散斑時(shí)間平均動(dòng)態(tài)面散射介質(zhì)成像模型，建立透過(guò)動(dòng)態(tài)體散射介質(zhì)的成像物理模型，最終實(shí)現(xiàn)透過(guò)動(dòng)態(tài)體散射介質(zhì)成像。

無(wú)論是“寬譜散射成像技術(shù)”的成功，還是“透過(guò)動(dòng)態(tài)散射介質(zhì)成像技術(shù)”的重大突破，都為散射成像這一細(xì)分科研方向的發(fā)展提供了很好的借鑒和啟發(fā)，而這些研究也為團(tuán)隊(duì)日后研制相關(guān)計(jì)算成像樣機(jī)奠定了良好的基礎(chǔ)。

充沛精力+求美之心：不斷攀登科研高峰

做好項(xiàng)目攻關(guān)不容易，做好團(tuán)隊(duì)管理也需要煞費(fèi)苦心。尤其邵曉鵬所在的是前沿研究、工程應(yīng)用與樣機(jī)開(kāi)發(fā)不分家的研究領(lǐng)域，團(tuán)隊(duì)協(xié)作至關(guān)重要。“有時(shí)候，各項(xiàng)工作之間會(huì)有時(shí)間沖突，就需要權(quán)衡。我一直給團(tuán)隊(duì)講，每天要列三件最為重要的事情，其他事情都不重要?！睓?quán)衡好輕重緩急、主次先后，邵曉鵬總是能用充沛的精力，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)不斷向科研的高峰攀登。

在科研上，專(zhuān)注計(jì)算成像研究的邵曉鵬，業(yè)余生活中的愛(ài)好也很廣泛，最?lèi)?ài)攝影和書(shū)法，也喜歡歷史和文學(xué)。在他看來(lái)，擁有一顆追求美的心，也是自然科學(xué)研究中不可或缺的，因?yàn)榭茖W(xué)研究本來(lái)就是一場(chǎng)求真、求美的旅程，以求美之心前行，方能收獲一路風(fēng)景。

探尋前沿、追逐未知，在求真求美的路上，不知疲倦的邵曉鵬正昂首闊步。