起舞弄“光影”
——北京理工大學(xué)青年研究員曹杰和他的光電事業(yè)

2020-07-22 07:01:06馬夢珂

科學(xué)中國人 2020年11期

關(guān)鍵詞：研究

馬夢珂

在自動化工廠里，機(jī)器臂正有條不紊地進(jìn)行分割、揀選、包裝等一系列復(fù)雜操作，動作嫻熟、精準(zhǔn)；經(jīng)過一道道工序的貨品被裝上物流運(yùn)輸車，車內(nèi)沒有司機(jī)，向著工廠幾十公里外的貨運(yùn)站駛?cè)ィ匆?guī)定路線完成日常配送……當(dāng)下，機(jī)器視覺、智能制造和無人駕駛等悄無聲息地滲透到人們的日常生活中。作為普通大眾，多數(shù)人關(guān)注到的是生活效率的提升，殊不知這些智能化背后有一雙特殊的“眼睛”日漸銳利。它就是扮演輔助角色的視覺感知系統(tǒng)，更準(zhǔn)確一些可以稱之為仿生視覺光電智能成像技術(shù)。

大視場、高分辨率、實(shí)時(shí)性，是機(jī)器視覺永無止境的追求。通俗來講，就是讓機(jī)器看得更廣闊、清晰，反應(yīng)更靈敏，三者也是智能制造、無人駕駛等行業(yè)的對光電感知的共性趨勢。北京理工大學(xué)光電學(xué)院副研究員曹杰所在團(tuán)隊(duì)順應(yīng)時(shí)代風(fēng)向，長久以來研究的正是這件關(guān)乎未來智能科技的大事。

看得到的成長收獲

與光電成像傳感技術(shù)打交道9年多，曹杰很少讓自己松弛下來。尤其當(dāng)下，他正處于埋頭上進(jìn)的階段，身體似乎包裹著用不完的精力。他坦言，自己一周的時(shí)間，回家的次數(shù)不多，在實(shí)驗(yàn)室待到凌晨一兩點(diǎn)是家常便飯。不過幸好家人支持，讓他有更多寶貴的時(shí)間去搞研發(fā)、做實(shí)驗(yàn)。

曹杰在“金國藩青年學(xué)子獎學(xué)金”頒獎現(xiàn)場（右為金國藩院士）

采訪過程中，他講話語速稍快，勝在邏輯清晰。“我們先介紹仿生視覺，再講激光三維成像，最后是兩者結(jié)合……”圍繞專業(yè)工作的話匣子一旦打開，曹杰放松不少，偶爾還能開幾句玩笑。比如，在課題組里，自己原本是學(xué)機(jī)電出身，搞光學(xué)研究稱得上“半路出家”，壓根兒沒想到日后會繼續(xù)讀博以及選擇光電方向。

他本科就讀于南京師范大學(xué)，大學(xué)結(jié)束后并沒有萌生深造的想法，反倒是工作1年后才考取桂林電子科技大學(xué)，攻讀碩士學(xué)位。回顧那段經(jīng)歷，曹杰表示當(dāng)時(shí)參與了不少項(xiàng)目和科技競賽，一定程度上提升了自身的工程動手能力。“那會兒參與的項(xiàng)目是以產(chǎn)學(xué)研為背景的，直接和公司對接，了解廠家的需求。有了這樣的市場調(diào)研經(jīng)歷，我之后開展工作的目的性都比較明確。”同時(shí)，受導(dǎo)師研究方向影響，他接觸到不少光電方面的研究，為日后的“轉(zhuǎn)型”做好了鋪墊。

碩士畢業(yè)，曹杰在導(dǎo)師的引薦下前往北京理工大學(xué)郝群教授課題組攻讀博士學(xué)位，與仿生視覺、三維成像等研究內(nèi)容有了深層次的接觸。那段時(shí)間，他不斷取得新成績，成為多項(xiàng)發(fā)明專利的主導(dǎo)者、參與者。對于提前博士畢業(yè)，并獲得2015年北京市優(yōu)秀畢業(yè)生稱號，曹杰直言這讓自己引以為傲。當(dāng)然他更清楚地知道，恩師在其中功不可沒。“跟著郝老師做項(xiàng)目的時(shí)候，我不僅要負(fù)責(zé)理論和技術(shù)研究，還要帶領(lǐng)碩士生研制出實(shí)用的原理樣機(jī)。”因此，曹杰的科研創(chuàng)新與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力在那幾年間得到了迅速的提升。與此同時(shí)，他自身還十分注重從工程課題中提煉科學(xué)問題，鍛煉了獨(dú)立發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，夯實(shí)了理論研究與工程實(shí)踐基礎(chǔ)。

2015年，曹杰前往新加坡國立大學(xué)的先進(jìn)機(jī)器人中心深造。“在那邊，我是唯一一個(gè)做光電感知研究的，也就是機(jī)器人的眼睛。合作導(dǎo)師也給予大力支持，我想做什么就可以做什么，但都得自己動手。”曹杰調(diào)侃道。絕對的自由選擇權(quán)往往會讓人松懈，但曹杰沒有。他熱烈地和組員討論自己的想法，開展原理驗(yàn)證、設(shè)計(jì)，購買設(shè)備并搭建實(shí)驗(yàn)平臺，把時(shí)間安排得分外緊湊。“當(dāng)時(shí)的課題是基于人眼視覺機(jī)理的變焦光電成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因?yàn)槲以诓┦侩A段有了相應(yīng)的基礎(chǔ)，所以入題挺快的。我們差不多每周都會開組會討論進(jìn)展，整個(gè)團(tuán)隊(duì)的氛圍還是很拼的。”因此僅2016年，曹杰就以第一作者發(fā)表了SCI檢索論文5篇。

除了這些書面上的成績，在曹杰看來，深造期間與同行的交流不僅鍛煉了自己的口語表達(dá)能力、協(xié)作能力，還時(shí)不時(shí)會碰撞出新的思維火花。例如，他在博士后期間利用新加坡國立大學(xué)融洽濃厚的學(xué)術(shù)討論優(yōu)勢，與國內(nèi)外多位學(xué)者進(jìn)行交流，以仿生視覺為基礎(chǔ)擴(kuò)展到“鬼成像”方面的相關(guān)研究，成為日后在該方向攻關(guān)的鋪墊，使其獲得了國家航空科學(xué)基金、陸航預(yù)先研究項(xiàng)目的支持。

1+1＞2的奧秘

學(xué)成歸國，曹杰沒有遲疑，甚至是做好了充足的準(zhǔn)備。他帶著獨(dú)立申請到的國家與省部級基金回到北京理工大學(xué)，順理成章地加入恩師郝群教授的課題組。至于研究內(nèi)容，便包含他在采訪中一再提到的仿生視覺。

講到專業(yè)內(nèi)容，曹杰喜歡用層層遞進(jìn)的方式。自然界生物光學(xué)系統(tǒng)為高性能光電成像與探測提供了豐富的借鑒，他所研究的仿生視覺，主要集中在復(fù)眼和人眼方面。其中，復(fù)眼指類似螳螂、蒼蠅等昆蟲的視覺器官。它由一群周期結(jié)構(gòu)相同的小眼組成。這些小眼每一個(gè)都能夠獨(dú)立感光。“昆蟲復(fù)眼曲面分布結(jié)構(gòu)讓它具有大視場的特點(diǎn)，另外密集的小眼一起工作，大大提升了復(fù)眼整體的時(shí)間分辨率，使它能夠?qū)σ苿拥哪繕?biāo)快速做出響應(yīng)。”這也直接解釋了蒼蠅等昆蟲反應(yīng)敏捷的原因。

仿人眼則與人體視網(wǎng)膜的視錐細(xì)胞有密切聯(lián)系。據(jù)曹杰介紹，該細(xì)胞有著非均勻分布的特點(diǎn)，能夠在高分辨率觀察目標(biāo)的同時(shí)壓縮邊緣目標(biāo)視場信息。從功用層面簡單來說，復(fù)眼由于大視場可以滿足看得廣闊的需求，人眼自帶聚焦能力，看得清、反應(yīng)快。兩者的結(jié)合恰好滿足了智能制造、無人駕駛、模式識別等行業(yè)的視覺感知需求。

曹杰最早是在博士階段接觸到仿生視覺研究，而2016年獲批的國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目——“基于曲面液體透鏡陣列的復(fù)合仿生光電成像研究”，讓他有機(jī)會能夠?qū)⒏喔拍钚韵敕ǜ吨T實(shí)踐。一直以來，開展仿生復(fù)眼與仿生人眼相關(guān)研究的團(tuán)隊(duì)不在少數(shù)，但將兩者結(jié)合起來研究的工作少見。從已知的公開文獻(xiàn)調(diào)研來看，曹杰所在課題組大抵是第一個(gè)吃螃蟹的。該項(xiàng)目本身側(cè)重解決大視場、高分辨實(shí)時(shí)性難以兼顧的問題，面向的應(yīng)用主要為智能制造與無人駕駛領(lǐng)域。在沒有經(jīng)驗(yàn)可循的情況下，他們?yōu)榱耸沟贸上裣到y(tǒng)同時(shí)具備復(fù)眼的大視場和人眼的變分辨率特點(diǎn)，滿足產(chǎn)業(yè)需求，設(shè)計(jì)了空間變分辨率曲面透鏡陣列，建立了透鏡參數(shù)結(jié)構(gòu)模型。同時(shí)，他們還在各項(xiàng)研究的基礎(chǔ)之上提出了基于復(fù)眼和人眼結(jié)合的復(fù)合仿生二維成像系統(tǒng)，從而提升視覺感知對外界環(huán)境反應(yīng)的綜合性能。

跨維度是必不可少的一步

自然界中的信息通常以三維的形式存在，人們傳統(tǒng)使用的二維圖像傳感器，采集信息時(shí)丟失了原有的深維度信息。因此對曹杰來說，復(fù)合仿生二維成像系統(tǒng)是過渡，不是終點(diǎn)。

激光三維成像，被稱成激光雷達(dá)。考慮到它主動性強(qiáng)、獲取目標(biāo)信息更豐富、分辨率高且全天候等特征，遙感測量、生物醫(yī)療、人工智能等軍用和民用領(lǐng)域?qū)ζ湟蕾嚦潭戎鹉暝龈摺！凹す馊S成像一直是國內(nèi)外爭相研究的熱點(diǎn)，能夠廣泛用于偵查勘測、目標(biāo)跟蹤、智能交通、智慧物流等方面，為國防安全和國家決策的制定提供保障。”曹杰介紹說，相較于二維傳感器，三維成像傳感器除了數(shù)據(jù)信息豐富，還具備強(qiáng)大的抗干擾能力，能夠適應(yīng)日益復(fù)雜的工作環(huán)境，更加符合人工智能對數(shù)據(jù)精確獲取的需求。

然而受到成像速率、分辨率、測距精度的制約，激光三維成像的綜合性能亟需提高，特別是國內(nèi)相關(guān)芯片研究的短板問題較為突出，這使得曹杰不得不繞開芯片問題另謀出路。“我們的想法是如何通過體制創(chuàng)新，在現(xiàn)有器件能力的水平上實(shí)現(xiàn)彎道超車，綜合性能實(shí)現(xiàn)提升。”例如，基于復(fù)合仿生的方式搭建激光三維成像系統(tǒng)。

在這樣想法的牽引下，曹杰提出一種仿生視網(wǎng)膜激光三維成像方法，在理論上完成了變分辨率激光三維成像模型的建立，并通過MOEMS器件實(shí)現(xiàn)了高速、高精度環(huán)形變分辨率掃描成像等任務(wù)。他的成功為激光三維成像同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率與高幀頻創(chuàng)造了可能性，相關(guān)原理樣機(jī)研制與功能驗(yàn)證也為主動成像制導(dǎo)、導(dǎo)航、避障以及相關(guān)國防領(lǐng)域的快速高分辨主動成像發(fā)展提供了新思路。解決完高分辨率與實(shí)時(shí)成像的兼顧矛盾，曹杰緊跟著面向光三維成像目前在復(fù)雜環(huán)境下難以快速、準(zhǔn)確地獲取目標(biāo)形貌的技術(shù)難題，以提出方法、建立模型、數(shù)值計(jì)算等方式，提升了目標(biāo)獲取精度、形貌獲取效率。

這一系列的研究成果得到國內(nèi)外業(yè)內(nèi)人士的一致認(rèn)可，相關(guān)論文發(fā)表在Optics Express、Optics and lasers in Engineering、Applied Optics期刊。曹杰還申請了包括一種變分辨率激光三維成像方法、一種基于仿人眼視覺機(jī)理的激光三維成像系統(tǒng)等在內(nèi)的多項(xiàng)發(fā)明專利。除了這些印成鉛字的“書面”成績，曹杰開展的復(fù)合仿生成像感知研究成果還直接助力多項(xiàng)大型活動的舉辦。譬如，在“科技冬奧、智慧北京”創(chuàng)意設(shè)計(jì)方案競賽中，他的方案經(jīng)過初賽、復(fù)賽的角逐，從60余家來自企業(yè)、院校的方案中脫穎而出，榮獲優(yōu)秀設(shè)計(jì)方案獎，為冬奧會的護(hù)航任務(wù)增添了一份科技元素。

團(tuán)隊(duì)是科學(xué)研究堅(jiān)實(shí)的后盾

從短暫的交談中不難發(fā)現(xiàn)，曹杰對曾經(jīng)的導(dǎo)師、如今的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人郝群教授有著由衷的敬佩。“我們有時(shí)候會聊一些工作。她很多想法是出于比較宏觀的角度，考慮得也更加周到。我能從中有很大的收獲。”

思維、思想的高度與人的閱歷和承擔(dān)的責(zé)任息息相關(guān)。郝群教授現(xiàn)任北京理工大學(xué)光電學(xué)院院長，長期在新型光電成像傳感和光電精密測試技術(shù)領(lǐng)域躬耕，縱觀她的履歷，獎項(xiàng)榮譽(yù)或者說論文數(shù)量，已經(jīng)不能衡量這位科研工作者為國家科研、科教大業(yè)繁榮傾注的心力。

由她領(lǐng)銜的測量與成像研究實(shí)驗(yàn)室成立于1998年，擁有20多年的深厚積淀，入選為教育部和北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。從攻關(guān)方向來看，實(shí)驗(yàn)室以新型光電成像傳感器研究為主要目標(biāo)，細(xì)化來看，除了曹杰負(fù)責(zé)的仿生視覺和激光雷達(dá)三維成像，還設(shè)置了復(fù)雜面型光學(xué)元器件干涉測量、無人機(jī)動平臺成像、機(jī)器視覺與動目標(biāo)測量等多個(gè)分支方向。整個(gè)隊(duì)伍分工明確、協(xié)作配合，各主要成員依據(jù)項(xiàng)目類型包攬不同的工作。并且在曹杰看來，團(tuán)隊(duì)合作最可貴的一點(diǎn)是人心齊。“讓我印象比較深的是胡搖老師。她很有耐心，對一些能力稍微欠缺的學(xué)生，甚至可以手把手教他們寫代碼。這一點(diǎn)，我很佩服。”此外，隊(duì)伍里的程陽博士也是曹杰尤為想要感謝的人，“他是我的師弟，和我的研究方向一致，所以我們聯(lián)合完成了很多有關(guān)仿生視覺的工作”。也正是因?yàn)楹瓦@位師弟的頻繁交流，曹杰在博士后期間少了很多獨(dú)自埋頭苦想的煩惱，遇到一些刁鉆的科研問題，可以通過兩個(gè)人的討論碰撞出新的思維火花。

整個(gè)團(tuán)隊(duì)積極向上的氛圍是科研成果產(chǎn)出的沃土。翻開測量與成像實(shí)驗(yàn)室近3年的成績單，50余項(xiàng)發(fā)明專利代表著這個(gè)隊(duì)伍的勤奮與杰出。交流合作與人才培養(yǎng)方面，實(shí)驗(yàn)室與加州大學(xué)伯克利分校、東京大學(xué)、新加坡國立大學(xué)、羅徹斯特大學(xué)、清華大學(xué)、中國兵器工業(yè)集團(tuán)第二〇三、二〇五研究所，中國電子科集團(tuán)第五十四研究所、大恒光電、華為集團(tuán)等高校、科研院所及企業(yè)保持著密切的合作關(guān)系，為各單位機(jī)構(gòu)輸送了一批批優(yōu)秀人才。

除了實(shí)驗(yàn)室的大團(tuán)隊(duì)，曹杰在2018年7月還組織起一個(gè)小“團(tuán)隊(duì)”，即光電智能感知學(xué)生創(chuàng)新工作室。以激發(fā)學(xué)生（本碩博）對科技創(chuàng)新為原動力，本著學(xué)以精工、學(xué)以致用、打破常規(guī)、務(wù)實(shí)求真、團(tuán)結(jié)協(xié)作、勇于攀登的科研精神，工作室旨在幫助學(xué)生認(rèn)清自我、拓展和強(qiáng)化專業(yè)知識。

實(shí)驗(yàn)室大家庭

即便在疫情期間，這個(gè)小集體也沒有停滯下來。在曹杰的積極組織下，成員們做好職能分工，定期開展學(xué)術(shù)交流，以光電在線講堂的形式展示著通過參與項(xiàng)目得來的收獲。讓學(xué)生盡早融入課題工作、盡快擁有主觀能動性，曹杰認(rèn)為，是幫助他們更清晰地理解所學(xué)知識及意義的“捷徑”。“我們出發(fā)點(diǎn)也很簡單，就是豐富學(xué)生的課外生活，讓他們來這里有收獲。”曹杰說，在納新填報(bào)表格的環(huán)節(jié)當(dāng)中，超過80%的學(xué)生對自己的專業(yè)能力、發(fā)展方向沒有明確的認(rèn)知。那些學(xué)生像張白紙一樣，空有一腔熱血，而他作為過來人想幫他們留下濃墨重彩的一筆。這也是光電智能感知學(xué)生創(chuàng)新工作室的初心和堅(jiān)守。

貴在誠，勝在勤

2019年11月，北京市成果轉(zhuǎn)化平臺系列路演正式啟動。在北京理工大學(xué)國際交流中心，首場以智能制造為主題的宣講拉開序幕。臺上，測量與成像實(shí)驗(yàn)室副研究員曹杰作為課題組代表，聲情并茂地介紹了“仿生智能三維成像”項(xiàng)目，結(jié)合昆蟲復(fù)眼大視場與人眼視網(wǎng)膜變分辨率優(yōu)勢等，將可用于無人駕駛、工業(yè)測量、智能制造等行業(yè)的新型復(fù)合仿生三維成像感知方法娓娓道來。

曹杰說，路演讓他接到了不少橄欖枝，但這些合作他不敢輕易允諾。在他看來，國家與市場需求是科學(xué)研究的源頭，科研成果能否順利轉(zhuǎn)化最大的問題是市場需不需要。因此從一開始，他就給自己的研究做了明確的定位，“設(shè)計(jì)成本過高、周期太長不現(xiàn)實(shí)，最好是能利用我們現(xiàn)有的產(chǎn)品配合算法，幫助廠家提升性能。比如說，我們提供一些針對性設(shè)計(jì)方案，利用編程等打造動態(tài)鏈接庫，讓技術(shù)或系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試可以直接用在廠家的生產(chǎn)線上”。

和成果轉(zhuǎn)化表現(xiàn)出來的務(wù)實(shí)相同，曹杰對于育人同樣講求一個(gè)“實(shí)”，誠實(shí)。他將誠實(shí)的秉性、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和個(gè)人能力排序，認(rèn)為相較于突出的個(gè)人能力，前兩者更為可貴。同時(shí)他還表示，教育歸根結(jié)底是把學(xué)生培養(yǎng)成才，一方面要根據(jù)學(xué)生的個(gè)體情況，針對性施教，另一方面要注重尖端人才的特色培養(yǎng)。以光電智能感知學(xué)生創(chuàng)新工作室為例，曹杰表達(dá)了將學(xué)生們培養(yǎng)、打造成精品團(tuán)隊(duì)的想法。“‘精品’意味著，一是學(xué)生自身能力要過硬，二是合作能力要突出。并且，這些東西不是自己標(biāo)榜出來的，要靠外界的認(rèn)可。”在這一點(diǎn)上，工作室的成員們沒有辜負(fù)他的期待，連續(xù)兩年在各大創(chuàng)意競賽、工程大賽中攬獲了7個(gè)獎項(xiàng)。

對于處在不同階段的學(xué)生，曹杰會一視同仁，也會有意識地因時(shí)施教。“首先，無論是本科生還是研究生，我作為老師需要保證他們的心態(tài)平穩(wěn)，把控好他們能夠承受的壓力程度。”此外，他直言受自己批評最多的是博士生。“因?yàn)槟銓W(xué)歷證書的含金量比別人足，能力就必須跟得上。當(dāng)然，我更會以身作則，如果有要求他們工作時(shí)長，我一定會在這個(gè)基礎(chǔ)上工作更久。”曹杰還表示，在盡力挖掘?qū)W生潛能的同時(shí)也給予他們生活上的關(guān)懷。他會每年定期組織兩到三次的團(tuán)體活動，也會以項(xiàng)目結(jié)題為節(jié)點(diǎn)，安排學(xué)生休閑放松，給大家緊繃的神經(jīng)放個(gè)假。