赤子篤實 勇于開拓
——記北京航空航天大學計算機學院教授百曉

李明麗

百曉

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現：貓可以知道回家的路，狗能夠識別主人的腳印，蜜蜂會發現它要采蜜的花……而學習人類（或其他生物系統）在所處環境中發現、區別和找出特征從而標識出觀察結果的本領就是模式識別。

以模式識別為代表的人工智能技術是21世紀最偉大的科技進展之一。在過去的幾十年里，模式識別技術在文字識別、語音識別、遙感、醫學診斷等方向的應用研究發展迅速。特別是近些年來，隨著信息化技術和人工智能的不斷普及，模式識別技術在生活中越來越多地被應用。同時，其廣闊的發展前景，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域的一位探索者。

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

情牽科研，理論創新

1958年，北京航空航天大學建立了計算機專業，經過20年的發展，又于1978年成立計算機科學與工程系（現已發展成為計算機學院），至今已走過60年的發展歷程。百曉本科畢業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，大家普遍關注的一個問題是，你要做軟件，還是做硬件。”直到他大學畢業后，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。

在英國約克大學，百曉學了4年的模式識別，博士畢業后，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年的相關研究，積累了深厚的學術功底和豐富的科研經驗。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歷60多年的艱苦奮斗，取得了一個又一個輝煌的業績，為國家培養了一批又一批計算機專業人才，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非常重要的一個基礎學科”，回國后，百曉重點在基于圖結構的數字媒體分析基礎理論和關鍵技術方面展開了研究。在此之前，百曉和他的博士生導師Edwin Hancock教授合作，已經在圖結構模式識別和結構化模式識別有過深入的研究，立足于這些研究經驗，他在該項目中提出了一系列基于圖結構的媒體數據表達和處理方法，完成了數字圖像和視頻等相關媒體數據中的高層結構信息建模，解決了媒體數據分析中的諸多關鍵問題。

具體來說，在“基于圖結構的數字媒體分析基礎理論和關鍵技術研究”項目中，百曉牽頭從三個方面進行了理論創新：

一是基于圖結構的圖像高層結構信息的提取與表示。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構信息的理論并利用圖理論對結構信息進行表示，在更好地提取圖像和視頻中穩定不變的特征的同時解決了不同圖像表現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構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。

二是基于圖結構的特征融合與匹配。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構遷移的稀疏表示方法，通過優化特征表示，提升了媒體數據分析效率；提出了特征增強理論，根據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鍵問題。

三是基于圖結構的目標檢索與識別。該項目實現了基于圖譜哈希的媒體數據檢索新機制，提高了圖像和視頻檢索以及網絡數據檢索的性能；提出了基于增量半監督的圖像分析方法，減少了對標注數據的依賴，實現了可應用于海量媒體數據分析的檢索系統；提出了基于結構模型的運動檢測方法，解決了復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。

在中國電子信息技術年會第七屆全國優秀科技工作者表彰會上

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應用取得了很好的效果，還應用在了媒體數據檢索、遙感圖像目標分析以及海量網絡數據的分析和處理中。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”二期中被應用，并在探月巡視器上發揮了重要作用。

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星“嫦娥一號”成功發射，實現了月球探測衛星繞月飛行，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類型，探測月壤特性，并在月球探測衛星奔月飛行過程中探測地月空間環境。2010年，“嫦娥二號”成功發射，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雜月面環境進行導航和避障，是巡視器成功開展工作的先決條件和難點之一。傳統的地面導航設備，如GPS、雷達以及車輪定位等系統，在月球無法發揮作用?！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，若采用傳統方法在精度和效率上都很難達到相關要求。對此，百曉采取了區域特征結構化提取與匹配的方法，除了采用傳統的視覺特征提取，還增加了結構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，提高該系統定位和避障精度的關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勢為探月巡視器提供了一套性能優異的避障系統和視覺里程系統。

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用證明中指出：“北京航空航天大學百曉老師研發的成果及提供的算法被探月工程二期所采納并發揮重要作用，巡視器成功避開危險障礙區域并計算了里程，圓滿完成了相關任務，為‘嫦娥三號’探測器月面著陸成功提供重要的技術保障”；在雙目避障項目的應用證明中指出：“該算法成功避開了障礙區域，精準完成了里程計算……著陸時開機工作正常，性能穩定。同時申請人的工作還會繼續應用于火星探索計劃”。

2015年，隨著人工智能的熱潮來臨，模式識別也成為業內的“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技術應用到多項重要領域，逐漸成長為一名優秀的國防專家。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，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展的今天，國防事業更需要一些‘新鮮血液’加入進去?！?/p>

針對高光譜遙感數據，百曉提出了解決遙感小目標分析的關鍵理論和技術。相關工作獲得了多項重要科研項目支持，在航天和國防領域取得了應用好評。除此之外，他率領團隊前往西藏高寒地區，克服種種困難將智能化手段和技術應用到相關工作里。近幾年，他先后入選多個重要領域專家。

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歷過戰爭的一代人，知道國防事業對一個國家的重要性。我們更應該明白科技對國防的意義，所以我們科研工作者應以服務國家利益為最高宗旨?！痹傅么松沓髧贂韵Ｍ梢员M自己所能為中國的國防事業增添力量。

育人育德，知行合一

百曉的本科生導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，博士生學的專業可能不一樣，但都需要做好一件事，那就是在科研中發現問題并解決問題。多年來，這句教導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，“發現問題、解決問題的水平實際上代表著一個科研工作者的能力，這在科研領域是非常關鍵的”。

這些年來，百曉除了將自己的所學所知應用于國防需求上，他還將自己的海外工作經驗與國內需求相結合，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領域主編。

“北京航空航天大學的校訓是‘德才兼備、知行合一’。德才兼備要求我們既要具備高尚的道德品質，又要具備扎實的專業才能；知行合一要求我們理論與實踐相結合，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用到需求當中?！卑贂哉f道。

無論是對自己的學生，還是對團隊中的成員，百曉常常強調北京航空航天大學的校訓。在博士生和碩士生的培養上，他要求學生從理論研究做起，但是理論和實踐一定要結合，不但要具備扎實的理論基礎，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國家的意識。

“大學很重要的一個職能就是服務社會，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合作時，往往不以科研經費為目的，對他們來說更重要的是能夠將成果更好地應用起來。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。”

目前，百曉承擔著本科生、碩士生和博士生的課程。他將國外的經驗與國內的經驗相結合來開展教學工作。他鼓勵學生敢于質疑自己，敢于挑戰權威，在科研工作上，為學生盡可能提供最好的環境和設備；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，這對他們是非常有幫助的，我作為老師，全力配合就行。”

為師為研，孜孜不倦。在模式識別這個日新月異的領域中，百曉致力于實現更多創新，也致力于培育更多英才。