以求美之心鉆研計算成像
——記西安電子科技大學物理與光電工程學院執行院長邵曉鵬及計算成像團隊

范佳樂

“在傳統成像中，有些問題是無法解決的。比如，照相時會遇到霧霾影響的情況，那么，能不能把它清晰復原出來呢？”西安電子科技大學物理與光電工程學院執行院長、陜西省新體制光電成像與信息感知科技創新團隊負責人、西安市計算成像重點實驗室主任邵曉鵬介紹，這項工作是他最開始接觸的計算成像領域的研究內容，而傳統成像的“天花板”還遠遠不止如此。他要做的，是從信息的角度來分析，從數學的角度來建模，從計算的角度來解算，打破這些“天花板”。

如今，作為國內最早開展計算成像研究的人員之一，邵曉鵬帶領團隊攻堅克難開展新體制光電成像與信息感知領域的前沿基礎研究，并促進技術的工程應用，承擔國家重大項目，注重前沿基礎學術研究與工程應用研究相結合，緊跟國際趨勢及國家重大需求，科研成果顯著。近年來，邵曉鵬作為大會發起人倡導舉辦“計算成像技術與應用”系列專題研討會，每年吸引近百所高校和科研院所參加，到會人數超500人，有力地促進了光學成像領域的多學科交叉融合，加速了相關學科的科技創新和成果轉化，提高了計算成像技術在光學領域的影響力。他和團隊在計算成像領域取得的一系列突出的科技新成果，不僅為學科發展做出了貢獻，還在多領域的具體應用上解決了過去棘手的難題。

可以說，愛好攝影和書法的邵曉鵬，以一顆追求美的心，在嚴苛的科研中繪制出一幅幅美不勝收的圖景。

信息處理+光學：打通計算成像的“任督二脈”

一切的開端，還要從邵曉鵬與西安電子科技大學的緣分說起。

當年，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校。而選擇留校工作，則是緩解農村家庭經濟壓力的最直接辦法。近30年來，從本科到博士，從讀書到工作，邵曉鵬心中始終對母校有著不一樣的情愫。

2005年，邵曉鵬獲西安電子科技大學博士學位，在母校繼續任教。工作中，邵曉鵬一直奮斗在科研與教學一線，將青春和精力奉獻在學術研究和工程技術的應用中。受母校培養多年，他一直通過這種方式，默默無聞地反哺母校。對于推進母校發展，他也有一種急迫的心情。

從紅外場景仿真到目標特性分析等技術的研究，再到后來的圖像處理與模式識別技術研究等，邵曉鵬最初的研究領域并不是計算成像。而對于計算成像研究領域的科研興趣，緣起于做訪問學者期間他與數學家的思維碰撞和內心對光學發展方向的深入思考。

生活中的邵曉鵬

那是在2009年，邵曉鵬到美國佐治亞理工學院做訪問學者，當時他的合作導師是圖像處理數學和信息處理領域的“大咖”——Haomin Zhou教授。

“我一開始想做圖像處理，后來周老師跟我說，你應該去做光學。其實那時候我已經很多年沒有做過光學了。我覺得這蠻有意思的，我們西安電子科技大學的優勢是利用數學理論進行信息處理，如果將其再與光學結合，做計算成像就是天然的。”邵曉鵬說，從那之后，他就大量閱讀相關方面的論文。閱讀量有多大呢？用他自己的話來說：“看過的資料，如果打印出來可能有一人之高。”

為參觀者介紹計算成像

閱讀為邵曉鵬日后的科研工作做了充分的儲備和積累，而身處多位數學家周邊，受他們影響邵曉鵬也通過思考與總結，形成了穩定的科研素養與思維習慣。邵曉鵬覺得，訪學的這段時光及在科研工作方面的沉淀令他受益至今。

可以說，通過數學思維和光學技術的“碰撞”，邵曉鵬似乎打通了計算成像的“任督二脈”。2010年，邵曉鵬剛回國的時候，國內對計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，計算成像已經成為光電成像領域最具前景的研究熱點之一。

近年來，憑借著在計算成像領域的科研進展，以及不斷被攻克的技術難題，邵曉鵬取得了累累碩果。與此同時，他還在多個學術組織中任職：國防工業光電信息技術與安全技術重點實驗室學術委員會委員、中國科學院航空光學成像與測量重點實驗室學術委員會委員、中航工業紅外探測器技術重點實驗室學術委員會委員、陜西省光學學會副理事長、華為媒體技術實驗室技術咨詢委員會顧問等，《光子學報》《激光與光電子學進展》等9個期刊編委。在人才培養方面，團隊也涌現出了西安市計算成像重點實驗室副主任、華山菁英教授劉飛等在計算成像領域有顯著特色及成果的青年才俊。

在邵曉鵬和團隊的帶動下，我國計算成像領域的許多研究也已躋身于國際第一梯隊。“對于散射成像、偏振成像、三維成像等研究方向，我還是蠻有自信的。”談起我國計算成像在國際上的水平，邵曉鵬笑道。

前沿+應用+樣機：全方位發展團隊的“聚寶盆”

“計算成像的發展前景非常好，研究的覆蓋面也相對較寬。現在手機不僅可以做出4個鏡頭，還能拍月亮，其實這里面用的技術都是計算成像。”邵曉鵬透露，其團隊正在與華為技術有限公司合作進行偏振三維成像技術的研究。如果該技術應用到手機上，拍一張照片就可以實現三維立體的成像。

這些年，邵曉鵬在工程應用方面，一直致力于圖像處理模式識別、圖像質量提升等方面的光電儀器研制測試，解決了這些精密儀器的國產化問題。邵曉鵬介紹，計算成像是一個基礎研究和工程應用結合非常緊密的領域。一方面要做前沿的基礎研究，另一方面要做工程應用，而且這個領域的研究方向很多，運轉起來需要一個全方位發展的團隊。

邵曉鵬所帶領的西安電子科技大學光電成像工程中心就是這樣一個全方位發展的團隊。該中心以“復雜環境光電信息感知科學與技術”創新引智111基地、陜西省“新體制光電成像與感知科技創新團隊”、西安市“計算成像重點實驗室”、西安電子科技大學“先進光學成像交叉前沿研究中心”為平臺，依托于光學工程優勢學科，主要從事新體制光電成像、光電圖像處理與分析、光電儀器研制與測試等多個領域的研究。

據邵曉鵬介紹，團隊秉承“崇尚學術，回歸工程”的科研理念，注重學科延伸及交叉，前沿研究與工程應用融合。團隊現有教授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，團隊青年教師和博士生赴國外進行訪學交流，與學術界內知名學者進行深入合作，有效提升了人才培養質量及光電成像技術的發展。

近年來，邵曉鵬和團隊承擔了包括國家自然科學基金在內的多項重要課題，突破了計算成像領域的多個難題。基于多年來扎實理論基礎和雄厚研究實力的積累，團隊亦多次獲得原信息產業部、陜西省教工委、航空工業總公司等省部級獎項，發表百余篇學術論文，其中多篇文章獲得期刊優秀論文、編輯推薦Spotlight論文以及Top download論文；授權發明專利80余項，編寫教材及專著4部。

同時，團隊在前沿研究、工程應用和樣機開發三方面都取得了顯著的成就：

前沿研究方面，科研進展突出。團隊進行的計算成像技術研究，在透過隨機散射介質成像技術方面，緊跟國際學術趨勢，對散射成像這一問題進行了深入的分析和研究，可透過生物組織、云層、煙塵、水霧等散射介質實現對遮蔽目標實時探測，在生物醫學、目標跟蹤、城市反恐等領域具有研究價值以及工程應用前景；在廣域高分辨率成像方面，團隊利用計算光學的思想結合信息傳遞理論，克服傳統成像視場與成像分辨率不可兼顧的固有矛盾，實現遠距離、大視場、高精度成像，提供更多信息；而在偏振成像方面，團隊以邵曉鵬、劉飛為核心，打破常規信息利用方式，深度挖掘散射光場中的偏振信息，提出的水下偏振成像方法實現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支持；針對復雜光照水體環境實現無色彩畸變的水下目標真實場景清晰成像，能用于海洋環境監控和水下考古等；提出一種高精度被動式單目偏振三維成像技術，突破了三維成像技術中成像距離與成像精度相互制約的瓶頸問題，首次實現了38.6萬公里對月球表面的三維重建；該技術還有望用于人臉解鎖、海關閘口監測、文物保護、自動駕駛和避障等應用領域。

在光電圖像處理與模式識別的工程應用方面，團隊也取得一系列成績。團隊基于光電成像研究，開發設計相應算法從而促進成像系統的廣泛使用，算法涉及圖像超分辨率重建、光電圖像增強技術、紅外弱小目標檢測、運動目標追蹤、目標識別等多個方向。與此同時，團隊還側重工程實現，開發了GPU架構的實時深度去霧系統，有效地解決了現有算法計算量大、效率低的問題。此外，他們還發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試以及樣機開發方面，團隊同樣取得了不凡的成績，一系列技術成果促進了新體制光電成像技術的裝備應用。其自主研制的廣域高分辨率凝視相機，在全球首次獲得32億超高像素成像，成果入選陜西省高校“砥礪奮進的五年”教育成就展。如今，團隊在儀器國產化方面也進行了布局和推進：研制的處理器陣列圖像實時處理系統和便攜式外場實驗綜合信息處理系統，已向國內多家科研院所提供使用；研制的中波紅外和紫外功率穩定系統實現了10-10w的最小功率檢測級別，達到國際先進檢測水平，打破國際技術壟斷。研制的基于光腔衰蕩法的光學諧振腔損耗測量系統，打破國際技術封鎖，實現了優于100ppm的調控精度，應用后大幅提高了激光陀螺儀的生產效率和良品率，累計產生上億元的經濟效益……

可以說，這三方面的成果匯集在一起，就像被裝進了一個“聚寶盆”，而這個全方位發展的團隊也依托著“聚寶盆”里的寶藏，不斷生發出新的研究和應用。

寬譜+動態散射介質：散射成像的突破口

作為計算成像領域的一個研究方向，散射成像技術的應用領域非常廣泛。

比如，在醫學成像中，透過皮膚觀察其內部神經結構或者跟蹤活體細胞或病毒時，皮膚和組織對光波的散射往往導致觀察與跟蹤無法完成；在軍事安全領域中，云層和煙霧等散射介質會嚴重阻礙觀測者的視線，使得跟蹤或者救援等行動無法正常進行；而在生命科學領域，常常需要觀測活體中的細胞或組織，對樣本的完整性及成像的效率都有很高的要求。

向領導匯報散射成像工作

邵曉鵬和團隊在散射成像方面針對成像譜段的難點問題，提出一種利用寬譜光源實現非侵入式實時散射成像方法。“以光學記憶效應為基礎，深入分析散斑場圖像之間的相關性與光源譜寬、中心波長之間的關系，依據線性成像系統點擴散函數的線性疊加關系，構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信息實現基于相位恢復的圖像重建，放寬利用支撐域作為先驗信息的限制，提高重建過程的收斂率。”邵曉鵬介紹，在研究靜態散射成像的基礎上，他們通過采集不同時間序列的散斑場圖像進行互相關運算，透過散射介質對運動目標的位置進行實時監測，結合圖像重建算法能夠對該目標進行成像，最終實現對活體動態物質的實時觀測。

可以說，該項目的實施，從物理上解釋了透過散射介質成像的機理，從而實現了對運動目標的動態觀測。而這一項目的科研價值在國際上亦處于領先水平，給同行進行類似研究以很好的啟發。

此后，邵曉鵬和團隊深入挖掘了散射介質“動起來”后對成像的影響，開展了透過動態散射介質成像技術的研究，該研究透過云層、霧霾、渾濁水體、活體生物組織等動態散射介質實現高分辨率成像具有突破性的理論意義和應用前景。

其實，無論動態散射介質存在肉眼可見的快速宏觀運動，還是介質內部顆粒的微觀振動，均會致使散射介質的傳輸平均自由程、去相關時間及去相關帶寬等物理參量發生變化，導致光波在靜態散射介質中的傳輸特性理論無法適用于動態散射介質。因此，研究光波與動態散射介質的相互作用機理及光波在介質中的傳輸物理特性，構建透過動態散射介質的成像物理模型，實現光波透過霧霾、煙塵、渾濁水體、活體生物組織等動態隨機散射介質的光學成像，具有重要理論意義。

帶領研究生討論關于計算成像的問題

“但是近年來，透過散射介質的成像方法均苛守嚴格的條件，且散射介質在成像過程中需處于靜止狀態，對介質的厚度也有嚴格要求。考慮到實際應用的需求，散射介質往往存在宏觀或微觀的運動，具有時變特性，現有的散射成像方法很難適用于動態散射介質成像。”邵曉鵬介紹，為了解決透過動態散射介質成像的難題，團隊以探究動態散射介質的散射特性與統計理論為基礎，確定動態散射介質成像的邊界條件；同時，依據遠場散斑時間平均動態面散射介質成像模型，建立透過動態體散射介質的成像物理模型，最終實現透過動態體散射介質成像。

無論是“寬譜散射成像技術”的成功，還是“透過動態散射介質成像技術”的重大突破，都為散射成像這一細分科研方向的發展提供了很好的借鑒和啟發，而這些研究也為團隊日后研制相關計算成像樣機奠定了良好的基礎。

充沛精力+求美之心：不斷攀登科研高峰

做好項目攻關不容易，做好團隊管理也需要煞費苦心。尤其邵曉鵬所在的是前沿研究、工程應用與樣機開發不分家的研究領域，團隊協作至關重要。“有時候，各項工作之間會有時間沖突，就需要權衡。我一直給團隊講，每天要列三件最為重要的事情，其他事情都不重要。”權衡好輕重緩急、主次先后，邵曉鵬總是能用充沛的精力，帶領團隊不斷向科研的高峰攀登。

在科研上，專注計算成像研究的邵曉鵬，業余生活中的愛好也很廣泛，最愛攝影和書法，也喜歡歷史和文學。在他看來，擁有一顆追求美的心，也是自然科學研究中不可或缺的，因為科學研究本來就是一場求真、求美的旅程，以求美之心前行，方能收獲一路風景。

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。