劉玉杰

從公元前3世紀(jì)發(fā)現(xiàn)小孔成像的奧秘，到16世紀(jì)發(fā)明光學(xué)暗箱，再到19世紀(jì)“達(dá)蓋爾銀版攝影術(shù)”的出現(xiàn)，都是人類(lèi)對(duì)獲取圖像信息的不斷摸索，可以說(shuō)“變革中的成像技術(shù)”是人類(lèi)孜孜不倦的永恒追求。

在人類(lèi)對(duì)“成像”不斷探索的過(guò)程中，隨著高性能計(jì)算機(jī)、探測(cè)器及光源的發(fā)展，計(jì)算成像極大地改變了傳統(tǒng)“所見(jiàn)即所得”的成像模式，通過(guò)對(duì)光學(xué)照明與成像系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)編碼，所拍攝的圖像已經(jīng)過(guò)調(diào)制，往往不能直接使用，但是通過(guò)與之相配合的數(shù)字解碼過(guò)程，就可以重構(gòu)理想場(chǎng)景。計(jì)算成像早已超越傳統(tǒng)成像，有了諸多革命性的優(yōu)勢(shì)，如提高成像的質(zhì)量，簡(jiǎn)化成像系統(tǒng)，突破光學(xué)系統(tǒng)與圖像采集設(shè)備的物理限制，使成像系統(tǒng)在信息獲取能力、功能、性能指標(biāo)等方面顯著提升?；谟?jì)算成像技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域的重要作用，我國(guó)不少科研工作者在這一領(lǐng)域不斷深耕，來(lái)自北京理工大學(xué)光電學(xué)院的特別副研究員張韶輝即是其中之一。

張韶輝

走出舒適圈

在讀博士之前，張韶輝并沒(méi)有想到自己會(huì)在未來(lái)的某一天全身心地投入計(jì)算成像的研究。他的本科在南開(kāi)大學(xué)物理學(xué)院就讀，物理涉及的那些基礎(chǔ)理論科學(xué)，總是與實(shí)際生活中能接觸到的東西有一定的距離感，比如弦理論、標(biāo)準(zhǔn)模型、引力波探測(cè)、基本粒子……本科畢業(yè)后，張韶輝順利推研到了清華大學(xué)的精密儀器系攻讀博士學(xué)位，師從激光器及精密測(cè)量?jī)x器研究專(zhuān)家張書(shū)練老師。從物理的理論學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向了工科的實(shí)踐研究，這一階段他研究最多的是激光自混合干涉理論。

在清華大學(xué)的校園里，張韶輝開(kāi)始學(xué)習(xí)去理解與研制激光自混合干涉儀?！拔倚枰獙W(xué)習(xí)激光儀器的原理，然后自己嘗試解釋一些新的物理現(xiàn)象，利用這些物理現(xiàn)象指導(dǎo)或優(yōu)化儀器的設(shè)計(jì)方案，這部分完成之后再針對(duì)核心器件如何選型，機(jī)械結(jié)構(gòu)怎么去設(shè)計(jì)，還需要考慮小型化、穩(wěn)定性、外表的美觀和電氣連接的合理性……”張韶輝說(shuō)著這些話，好像又回到了在實(shí)驗(yàn)室里倒騰儀器設(shè)計(jì)的時(shí)候。

攻讀博士期間，張韶輝重點(diǎn)研究的是具有超高探測(cè)靈敏度的激光器及以其為核心的激光回饋干涉測(cè)量系統(tǒng)，他成功研制出高性能固體微片激光干涉儀的光源（核心部件），提高了系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，促使其向儀器化進(jìn)一步發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)品現(xiàn)由北京鐳測(cè)科技有限公司負(fù)責(zé)推廣銷(xiāo)售，目前已銷(xiāo)售至包括美國(guó)華盛頓大學(xué)圣路易斯分校在內(nèi)的數(shù)十家單位，得到了用戶(hù)的一致高度評(píng)價(jià)。除此之外，張韶輝還提出并研制了基于微片激光器的光纖激光回饋干涉儀，一定程度上擺脫了傳統(tǒng)儀器對(duì)空間場(chǎng)合以及被測(cè)物尺寸要求苛刻的限制，擴(kuò)大了激光干涉儀的應(yīng)用范圍。在張韶輝看來(lái)，激光自混合干涉是一個(gè)很好的科研方向，干涉測(cè)量?jī)x器是非常實(shí)用的工具，他所在的課題組構(gòu)建了“正交偏振”理論與技術(shù)體系，并研制和量產(chǎn)出多種精密測(cè)量?jī)x器，不管是在理論上還是實(shí)踐上都收獲頗豐。

“我的導(dǎo)師張書(shū)練老師很了解每個(gè)學(xué)生的特點(diǎn)，他從不會(huì)從細(xì)節(jié)上約束我，而是在給足我軟硬件條件支持后，從宏觀角度把控我的科研方向，并在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)為我提出建議和指導(dǎo)，這培養(yǎng)了我獨(dú)立自主思考和做科研的能力。”張韶輝很感謝自己的博士生導(dǎo)師，他如是說(shuō)道。張書(shū)練老師對(duì)張韶輝的影響是全方位的，不僅是科研能力的培養(yǎng)，也包括做科研的態(tài)度，張老師提倡不盲目追求熱點(diǎn)、堅(jiān)持應(yīng)用導(dǎo)向、堅(jiān)持原理創(chuàng)新的理念一直在指引著他前進(jìn)的方向。正是由于博士期間得到了全方位綜合能力的科研訓(xùn)練，張韶輝才有勇氣在走向工作崗位的階段重新開(kāi)始新的方向。

2017年7月，張韶輝加入北京理工大學(xué)光電學(xué)院郝群教授團(tuán)隊(duì)，任特別副研究員?！昂吕蠋熼L(zhǎng)期從事新型光電成像傳感和光電精密測(cè)試技術(shù)方向研究，在復(fù)雜表面瞬態(tài)測(cè)量領(lǐng)域做出了國(guó)際領(lǐng)先的工作。與張老師對(duì)待我的方式很相似，郝老師給予我充分的支持和信任，提供很好的平臺(tái)條件和經(jīng)費(fèi)支持，這也增加了我開(kāi)展新方向的信心?！眹@著郝群教授團(tuán)隊(duì)的研究發(fā)展思路，張韶輝開(kāi)始了新研究方向的尋找，正好同組的胡搖老師剛從伯克利訪問(wèn)歸來(lái)，向他介紹了計(jì)算成像研究的內(nèi)涵和技術(shù)特征。

在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的思考與權(quán)衡后，張韶輝選擇了計(jì)算顯微成像和結(jié)構(gòu)光投影三維測(cè)量?jī)蓚€(gè)研究方向，開(kāi)啟了全新的研究之旅。張韶輝很快就行動(dòng)起來(lái)，他閱讀了大量不同領(lǐng)域的論文，對(duì)想要研究的方向有一個(gè)大體的了解，比如該方向主要是研究什么，有哪些人在做，現(xiàn)在發(fā)展到哪個(gè)階段，有沒(méi)有往產(chǎn)業(yè)化的方向探索……遇到不懂的地方，張韶輝會(huì)主動(dòng)找到相關(guān)領(lǐng)域的老師去溝通，絕大多數(shù)老師都會(huì)把他研究的領(lǐng)域現(xiàn)狀或者是發(fā)展前景，甚至發(fā)展中遇到哪些瓶頸與他溝通，態(tài)度十分開(kāi)放和包容。張韶輝說(shuō)：“一直到現(xiàn)在，我都覺(jué)得轉(zhuǎn)變方向是個(gè)艱難的事情，尤其是需要同時(shí)面臨來(lái)自多個(gè)方面的壓力?！彼芨屑ぴ谵D(zhuǎn)變方向階段愿意溝通討論和提供思路的老師們，給了他很大的鼓勵(lì)和幫助，讓他在探索的道路上不迷茫。

多維度的世界

對(duì)于出身物理系的張韶輝來(lái)說(shuō)，他對(duì)未知理論的探索一直抱著極大的好奇心，若是能將所有的理論環(huán)節(jié)打通，并進(jìn)一步做出能夠?qū)嶋H應(yīng)用的東西來(lái)，他更是有一種莫名的成就感。進(jìn)入全新的“計(jì)算成像”研究領(lǐng)域，無(wú)疑是進(jìn)入了一個(gè)新奇的世界。計(jì)算成像不同于傳統(tǒng)的成像，它更強(qiáng)調(diào)在成像的過(guò)程中主動(dòng)加入一些調(diào)制操作手段，比如從光源的角度，控制光源的照明方向、發(fā)光的亮度、波長(zhǎng)、偏振態(tài)，甚至控制照明的模式。研究人員會(huì)從光與物質(zhì)相互作用的物理層面出發(fā)去理解和設(shè)計(jì)需要“調(diào)制”的光場(chǎng)維度，然后設(shè)計(jì)構(gòu)建具體的光場(chǎng)“調(diào)制”方式去實(shí)現(xiàn)調(diào)制照明，采集得到一系列不同維度投影的數(shù)據(jù)，隨后在逆問(wèn)題解算算法中，需要充分考慮做了哪些操作以及這些操作是如何降低問(wèn)題的病態(tài)程度的，最終通過(guò)結(jié)合直接采集數(shù)據(jù)、物理模型、調(diào)制方法以及數(shù)學(xué)逆問(wèn)題解算算法，從而獲得一個(gè)更加接近真實(shí)場(chǎng)景的成像結(jié)果，信息量得以增加，維度得以擴(kuò)展。

“計(jì)算成像是一種硬件和軟件相結(jié)合的優(yōu)化方法，它在現(xiàn)階段更多的是一種新的方向和新的發(fā)展思路，雖然還處于一個(gè)方向發(fā)展的初期，卻擁有欣欣向榮的發(fā)展?jié)摿?，但我認(rèn)為不管硬件和算法如何發(fā)展，最核心的部分還是‘光與物質(zhì)相互作用’這一物理環(huán)節(jié)”。在計(jì)算顯微成像這個(gè)新的研究方向，張韶輝獲得的第一個(gè)研究議題就是非傳統(tǒng)光學(xué)顯微系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

光學(xué)顯微成像是通過(guò)光穿過(guò)樣本時(shí)光場(chǎng)參數(shù)被調(diào)制而實(shí)現(xiàn)微小結(jié)構(gòu)認(rèn)知的一類(lèi)成像方法。自16世紀(jì)末開(kāi)始，科學(xué)家們就一直使用光學(xué)顯微成像的方式探索復(fù)雜的微觀世界，以了解生物組織的基本結(jié)構(gòu)和規(guī)律。到目前為止，光學(xué)顯微成像技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)龐大的體系，在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮了非常重要且無(wú)可替代的作用。雖然已在多個(gè)層面都取得了巨大的進(jìn)展，但其成像性能依然難以滿足生命科學(xué)和人工智能技術(shù)領(lǐng)域?qū)ξ⒂^結(jié)構(gòu)認(rèn)知的需求。其中，常規(guī)顯微成像技術(shù)在大空間帶寬積成像、透明樣本成像方面的問(wèn)題尤為突出。

“我們?cè)谔剿髋c研究一些新的顯微成像機(jī)理，其均具有顯著的計(jì)算成像特征。除原理探索外，我們也設(shè)計(jì)構(gòu)建了一些操作簡(jiǎn)單但性能良好的系統(tǒng)，并嘗試和公司合作，希望能往實(shí)際應(yīng)用方面推進(jìn)一步。”張韶輝還申請(qǐng)了北京市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，針對(duì)當(dāng)前生命科學(xué)領(lǐng)域中對(duì)生物組織及活動(dòng)規(guī)律的信息需求，以及公共衛(wèi)生領(lǐng)域中偏遠(yuǎn)地區(qū)和野外救援等場(chǎng)合對(duì)于低價(jià)、輕便、高性能、高魯棒性顯微系統(tǒng)的迫切需求，研制低成本、小型化、高性能、簡(jiǎn)單易操作的顯微成像方法與系統(tǒng)，起到對(duì)于生物、生命科學(xué)以及疾病檢測(cè)及防護(hù)的重要作用。

計(jì)算顯微通常可以實(shí)現(xiàn)大空間帶寬積成像和定量相位成像，是對(duì)傳統(tǒng)顯微成像方法中成像維度及數(shù)據(jù)量的擴(kuò)展。與此同時(shí)，張韶輝還開(kāi)展了屬于“機(jī)器視覺(jué)”領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)光投影三維測(cè)量方法與系統(tǒng)研究。“這個(gè)研究領(lǐng)域目標(biāo)也是對(duì)成像維度的擴(kuò)展，將二維擴(kuò)展到了三維，只是在待測(cè)物的尺度上與顯微成像有所差別，計(jì)算成像的理念是相通的?！睆埳剌x頗有信心地說(shuō)道。

在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間基于結(jié)構(gòu)光投影的三維測(cè)量研究后，張韶輝與北醫(yī)三院的主治醫(yī)生建立了聯(lián)系，針對(duì)潛在馬凡綜合癥患者存在的手指細(xì)長(zhǎng)、指關(guān)節(jié)腫大等特征，開(kāi)展基于條紋結(jié)構(gòu)光投影的光學(xué)非接觸三維測(cè)量方法及系統(tǒng)研究。馬凡綜合癥是一種遺傳性結(jié)締組織疾病，患者特征為四肢、手指、腳趾細(xì)長(zhǎng)不勻稱(chēng)，身高明顯超出常人，伴有心血管系統(tǒng)異常，存在心血管病變引發(fā)猝死的潛在危險(xiǎn)。現(xiàn)階段對(duì)馬凡綜合癥患者的篩檢需要較為復(fù)雜且昂貴的CT等手段，且效率較低。

張韶輝希望通過(guò)對(duì)患者手部特征進(jìn)行快速光學(xué)單位測(cè)量與成像，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)深度學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行鑒別，完成數(shù)據(jù)采集、處理及顯示，實(shí)現(xiàn)快速的手部三維測(cè)量與重建，這有望實(shí)現(xiàn)潛在病人的快速和低成本篩檢，提升篩檢率，為患者盡早治療提供保障?！拔覀兏鶕?jù)患者的手部尺寸特征，進(jìn)行條紋投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及元器件選型和標(biāo)定等工作?！睆埳剌x解釋說(shuō)道。在研究的過(guò)程中，他發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)光投影三維測(cè)量這個(gè)領(lǐng)域有很大的定制特性，它需要根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景來(lái)調(diào)試成像系統(tǒng)的參數(shù)?！斑@也是我在認(rèn)識(shí)到了很多課題組已經(jīng)做了很好工作的前提下還決定進(jìn)入這個(gè)方向的一個(gè)重要原因。我們以目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)景為導(dǎo)向，在理論方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)行硬件的設(shè)計(jì)選型和軟件算法的編寫(xiě)，最終確定我們的整體系統(tǒng)和方案?！睆埳剌x對(duì)自己的選擇有了更加堅(jiān)定的底氣。

目前，這一名為“條紋投影手部特征三維測(cè)量”的項(xiàng)目已經(jīng)申請(qǐng)到了北京理工大學(xué)科技創(chuàng)新計(jì)劃科研基地科技支撐專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃，正在穩(wěn)步有序地開(kāi)展研究。

在與記者的交談中，張韶輝反復(fù)強(qiáng)調(diào)了理論基礎(chǔ)和成果落地的重要性。在他看來(lái)，“物理”是根基，是長(zhǎng)期從事一個(gè)領(lǐng)域研究的本錢(qián)，而“應(yīng)用”是他在研究領(lǐng)域內(nèi)不斷前行、獲得成就的不竭動(dòng)力，也是未來(lái)幾年中他最想實(shí)現(xiàn)的愿望。

教導(dǎo)的力量

作為曾經(jīng)的“門(mén)外漢”，踏入計(jì)算成像領(lǐng)域?qū)Ξ?dāng)時(shí)的張韶輝來(lái)說(shuō)，就像是走上了一條未知之路。然而正是這樣一次勇敢的方向轉(zhuǎn)變，讓張韶輝開(kāi)啟了新的研究探索，收獲了許多感悟，有了明確的目標(biāo)和不再動(dòng)搖的心。

過(guò)往的鋪墊早已讓今天的張韶輝逐漸成長(zhǎng)為能獨(dú)當(dāng)一面的科研人，2021年是他成為老師的第五年，他希望能夠堅(jiān)持做感興趣的科學(xué)研究，能夠繼續(xù)做實(shí)用儀器設(shè)備的研發(fā)工作。而面對(duì)自己的學(xué)生，他也有許多思考。

張韶輝與學(xué)生的年齡相差無(wú)幾，這既有好處也有壞處?！昂锰幘驮谟谒麄兒芏嘞敕ㄎ叶寄芾斫猓麄兛赡芤?yàn)椴缓靡馑颊f(shuō)出口的時(shí)候，我已經(jīng)感受到了在這個(gè)階段他們可能遇到的一些問(wèn)題，能夠主動(dòng)進(jìn)行疏導(dǎo)。壞處就是他們隨便想一個(gè)偷懶的意圖我都知道，一些偷懶小技巧我可能也用過(guò)。學(xué)生就像弟弟妹妹，我們相處的過(guò)程中也是斗智斗勇，不過(guò)整體來(lái)說(shuō)還是挺好的，一直與年輕的思想進(jìn)行交流會(huì)覺(jué)得自己變老的速度被減慢。”張韶輝感嘆道。

對(duì)于自己的學(xué)生，張韶輝有著獨(dú)特的教導(dǎo)原則和方法?！拔医?jīng)常和學(xué)生們說(shuō)，我們是彼此平等的合作關(guān)系，只不過(guò)我們?cè)诤献髦杏猩矸莸牟町?，你一定要有自己的想法、自己的?guī)劃，遇到問(wèn)題我們可以一起討論，我也會(huì)提供經(jīng)驗(yàn)和分析，但是我基本不會(huì)幫學(xué)生做決定，我希望學(xué)生在做每一個(gè)決定的時(shí)候，都能對(duì)自己負(fù)責(zé)?！辈还苁窃谏钪羞€是在科研中，張韶輝都是如此和學(xué)生強(qiáng)調(diào)的。

在張韶輝看來(lái)，對(duì)學(xué)生科研技能和思想的培養(yǎng)是作為老師最重要的任務(wù)。他常常拿自己舉例，博士期間做的工作和現(xiàn)在的工作完全不一樣，但是沒(méi)有人能說(shuō)博士的幾年時(shí)間就是沒(méi)用的，正是那幾年的學(xué)習(xí)培養(yǎng)了張韶輝獨(dú)立思考、做實(shí)驗(yàn)的技能，即使轉(zhuǎn)到新的研究方向，之前的經(jīng)驗(yàn)也能幫助他調(diào)整狀態(tài)，快速投入到新的研究中去?！盁o(wú)論是我自己還是課題組其他的老師，我們都非常重視對(duì)學(xué)生能力和思想上的培養(yǎng)?！?/p>

2021年也是張韶輝來(lái)到北京理工大學(xué)的第五年，更是“十四五”的開(kāi)局之年。面對(duì)全新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，張韶輝信心滿滿。學(xué)術(shù)上，他希望能做出有鮮明特色的研究，構(gòu)建相關(guān)的學(xué)術(shù)研究體系，得到更多人的認(rèn)可。在做好現(xiàn)有項(xiàng)目的同時(shí)，他希望能再上一層樓：無(wú)論是計(jì)算成像技術(shù)的研發(fā)落地，或是培養(yǎng)更多更好的學(xué)生，都是他未來(lái)將要努力的方向。張韶輝期待能更多地參與到以計(jì)算成像技術(shù)為核心和本質(zhì)的領(lǐng)域中，做更多原創(chuàng)性的研究，為未來(lái)計(jì)算成像研究體系的構(gòu)建和產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)掘貢獻(xiàn)自己的力量。