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发布时间：2021-12-16
刘玉杰
从公元前3世纪发现小孔成像的奥秘，到16世纪发明光学暗箱，再到19世纪“达盖尔银版摄影术”的出现，都是人类对获取图像信息的不断摸索，可以说“变革中的成像技术”是人类孜孜不倦的永恒追求。
在人类对“成像”不断探索的过程中，随着高性能计算机、探测器及光源的发展，计算成像极大地改变了传统“所见即所得”的成像模式，通过对光学照明与成像系统进行光学编码，所拍摄的图像已经过调制，往往不能直接使用，但是通过与之相配合的数字解码过程，就可以重构理想场景。计算成像早已超越传统成像，有了诸多革命性的优势，如提高成像的质量，简化成像系统，突破光学系统与图像采集设备的物理限制，使成像系统在信息获取能力、功能、性能指标等方面显著提升。基于计算成像技术在多个领域的重要作用，我国不少科研工作者在这一领域不断深耕，来自北京理工大学光电学院的特别副研究员张韶辉即是其中之一。
走出舒适圈
在读博士之前，张韶辉并没有想到自己会在未来的某一天全身心地投入计算成像的研究。他的本科在南开大学物理学院就读，物理涉及的那些基础理论科学，总是与实际生活中能接触到的东西有一定的距离感，比如弦理论、标准模型、引力波探测、基本粒子……本科毕业后，张韶辉顺利推研到了清华大学的精密仪器系攻读博士学位，师从激光器及精密测量仪器研究专家张书练老师。从物理的理论学习转向了工科的实践研究，这一阶段他研究最多的是激光自混合干涉理论。
在清华大学的校园里，张韶辉开始学习去理解与研制激光自混合干涉仪。“我需要学习激光仪器的原理，然后自己尝试解释一些新的物理现象，利用这些物理现象指导或优化仪器的设计方案，这部分完成之后再针对核心器件如何选型，机械结构怎么去设计，还需要考虑小型化、稳定性、外表的美观和电气连接的合理性……”张韶辉说着这些话，好像又回到了在实验室里倒腾仪器设计的时候。
攻读博士期间，张韶辉重点研究的是具有超高探测灵敏度的激光器及以其为核心的激光回馈干涉测量系统，他成功研制出高性能固体微片激光干涉仪的光源（核心部件），提高了系统整体的稳定性，促使其向仪器化进一步发展，相关产品现由北京镭测科技有限公司负责推广销售，目前已销售至包括美国华盛顿大学圣路易斯分校在内的数十家单位，得到了用户的一致高度评价。除此之外，张韶辉还提出并研制了基于微片激光器的光纤激光回馈干涉仪，一定程度上摆脱了传统仪器对空间场合以及被测物尺寸要求苛刻的限制，扩大了激光干涉仪的应用范围。在张韶辉看来，激光自混合干涉是一个很好的科研方向，干涉测量仪器是非常实用的工具，他所在的课题组构建了“正交偏振”理论与技术体系，并研制和量产出多种精密测量仪器，不管是在理论上还是实践上都收获颇丰。
“我的导师张书练老师很了解每个学生的特点，他从不会从细节上约束我，而是在给足我软硬件条件支持后，从宏观角度把控我的科研方向，并在关键节点为我提出建议和指导，这培养了我独立自主思考和做科研的能力。”张韶辉很感谢自己的博士生导师，他如是说道。张书练老师对张韶辉的影响是全方位的，不仅是科研能力的培养，也包括做科研的态度，张老师提倡不盲目追求热点、坚持应用导向、坚持原理创新的理念一直在指引着他前进的方向。正是由于博士期间得到了全方位综合能力的科研训练，张韶辉才有勇气在走向工作岗位的阶段重新开始新的方向。
2017年7月，张韶辉加入北京理工大学光电学院郝群教授团队，任特别副研究员。“郝老师长期从事新型光电成像传感和光电精密测试技术方向研究，在复杂表面瞬态测量领域做出了国际领先的工作。与张老师对待我的方式很相似，郝老师给予我充分的支持和信任，提供很好的平台条件和经费支持，这也增加了我开展新方向的信心。”围绕着郝群教授团队的研究发展思路，张韶辉开始了新研究方向的寻找，正好同组的胡摇老师刚从伯克利访问归来，向他介绍了计算成像研究的内涵和技术特征。
在经过一段时间的思考与权衡后，张韶辉选择了计算显微成像和结构光投影三维测量两个研究方向，开启了全新的研究之旅。张韶辉很快就行动起来，他阅读了大量不同领域的论文，对想要研究的方向有一个大体的了解，比如该方向主要是研究什么，有哪些人在做，现在发展到哪个阶段，有没有往产业化的方向探索……遇到不懂的地方，张韶辉会主动找到相关领域的老师去沟通，绝大多数老师都会把他研究的领域现状或者是发展前景，甚至发展中遇到哪些瓶颈与他沟通，态度十分开放和包容。张韶辉说：“一直到现在，我都觉得转变方向是个艰难的事情，尤其是需要同时面临来自多个方面的压力。”他很感激在转变方向阶段愿意沟通讨论和提供思路的老师们，给了他很大的鼓励和帮助，让他在探索的道路上不迷茫。
多维度的世界
对于出身物理系的张韶辉来说，他对未知理论的探索一直抱着极大的好奇心，若是能将所有的理论环节打通，并进一步做出能够实际应用的东西来，他更是有一种莫名的成就感。进入全新的“计算成像”研究领域，无疑是进入了一个新奇的世界。计算成像不同于传统的成像，它更强调在成像的过程中主动加入一些调制操作手段，比如从光源的角度，控制光源的照明方向、发光的亮度、波长、偏振态，甚至控制照明的模式。研究人员会从光与物质相互作用的物理层面出发去理解和设计需要“调制”的光场维度，然后设计构建具体的光场“调制”方式去实现调制照明，采集得到一系列不同维度投影的数据，随后在逆问题解算算法中，需要充分考虑做了哪些操作以及这些操作是如何降低问题的病态程度的，最终通过结合直接采集数据、物理模型、调制方法以及数学逆问题解算算法，从而获得一个更加接近真实场景的成像结果，信息量得以增加，维度得以扩展。
“计算成像是一种硬件和软件相结合的优化方法，它在现阶段更多的是一种新的方向和新的发展思路，虽然还处于一个方向发展的初期，却拥有欣欣向荣的发展潜力，但我认为不管硬件和算法如何发展，最核心的部分还是‘光与物质相互作用’这一物理环节”。在计算显微成像这个新的研究方向，张韶辉获得的第一个研究议题就是非传统光学显微系统的设计。
光学显微成像是通过光穿过样本时光场参数被调制而实现微小结构认知的一类成像方法。自16世纪末开始，科学家们就一直使用光学显微成像的方式探索复杂的微观世界，以了解生物组织的基本结构和规律。到目前为止，光学显微成像技术已经发展成为一个庞大的体系，在生命科学、医学、工业检测等领域发挥了非常重要且无可替代的作用。虽然已在多个层面都取得了巨大的进展，但其成像性能依然难以满足生命科学和人工智能技术领域对微观结构认知的需求。其中，常规显微成像技术在大空间带宽积成像、透明样本成像方面的问题尤为突出。
“我们在探索与研究一些新的显微成像机理，其均具有显著的计算成像特征。除原理探索外，我们也设计构建了一些操作简单但性能良好的系统，并尝试和公司合作，希望能往实际应用方面推进一步。”张韶辉还申请了北京市自然科学基金面上项目，针对当前生命科学领域中对生物组织及活动规律的信息需求，以及公共卫生领域中偏远地区和野外救援等场合对于低价、轻便、高性能、高鲁棒性显微系统的迫切需求，研制低成本、小型化、高性能、简单易操作的显微成像方法与系统，起到对于生物、生命科学以及疾病检测及防护的重要作用。
计算显微通常可以实现大空间带宽积成像和定量相位成像，是对传统显微成像方法中成像维度及数据量的扩展。与此同时，张韶辉还开展了属于“机器视觉”领域的结构光投影三维测量方法与系统研究。“这个研究领域目标也是对成像维度的扩展，将二维扩展到了三维，只是在待测物的尺度上与显微成像有所差别，计算成像的理念是相通的。”张韶辉颇有信心地说道。
在经过一段时间基于结构光投影的三维测量研究后，张韶辉与北医三院的主治医生建立了联系，针对潜在马凡综合症患者存在的手指细长、指关节肿大等特征，开展基于条纹结构光投影的光学非接触三维测量方法及系统研究。马凡综合症是一种遗传性结缔组织疾病，患者特征为四肢、手指、脚趾细长不匀称，身高明显超出常人，伴有心血管系统异常，存在心血管病变引发猝死的潜在危险。现阶段对马凡综合症患者的筛检需要较为复杂且昂贵的CT等手段，且效率较低。
张韶辉希望通过对患者手部特征进行快速光学单位测量与成像，并在此基础上通过深度学习的方式进行鉴别，完成数据采集、处理及显示，实现快速的手部三维测量与重建，这有望实现潜在病人的快速和低成本筛检，提升筛检率，为患者尽早治疗提供保障。“我们根据患者的手部尺寸特征，进行条纹投影系统的设计及元器件选型和标定等工作。”张韶辉解释说道。在研究的过程中，他发现结构光投影三维测量这个领域有很大的定制特性，它需要根据实际场景来调试成像系统的参数。“这也是我在认识到了很多课题组已经做了很好工作的前提下还决定进入这个方向的一个重要原因。我们以目标应用场景为导向，在理论方案的基础上，进行硬件的设计选型和软件算法的编写，最终确定我们的整体系统和方案。”张韶辉对自己的选择有了更加坚定的底气。
目前，这一名为“条纹投影手部特征三维测量”的项目已经申请到了北京理工大学科技创新计划科研基地科技支撑专项计划，正在稳步有序地开展研究。
在与记者的交谈中，张韶辉反复强调了理论基础和成果落地的重要性。在他看来，“物理”是根基，是长期从事一个领域研究的本钱，而“应用”是他在研究领域内不断前行、获得成就的不竭动力，也是未来几年中他最想实现的愿望。
教导的力量
作为曾经的“门外汉”，踏入计算成像领域对当时的张韶辉来说，就像是走上了一条未知之路。然而正是这样一次勇敢的方向转变，让张韶辉开启了新的研究探索，收获了许多感悟，有了明确的目标和不再动摇的心。
过往的铺垫早已让今天的张韶辉逐渐成长为能独当一面的科研人，2021年是他成为老师的第五年，他希望能够坚持做感兴趣的科学研究，能够继续做实用仪器设备的研发工作。而面对自己的学生，他也有许多思考。
张韶辉与学生的年龄相差无几，这既有好处也有坏处。“好处就在于他们很多想法我都能理解，他们可能因为不好意思说出口的时候，我已经感受到了在这个阶段他们可能遇到的一些问题，能够主动进行疏导。坏处就是他们随便想一个偷懒的意图我都知道，一些偷懒小技巧我可能也用过。学生就像弟弟妹妹，我们相处的过程中也是斗智斗勇，不过整体来说还是挺好的，一直与年轻的思想进行交流会觉得自己变老的速度被减慢。”张韶辉感叹道。
对于自己的学生，张韶辉有着独特的教导原则和方法。“我经常和学生们说，我们是彼此平等的合作关系，只不过我们在合作中有身份的差异，你一定要有自己的想法、自己的规划，遇到问题我们可以一起讨论，我也会提供经验和分析，但是我基本不会帮学生做决定，我希望学生在做每一个决定的时候，都能对自己负责。”不管是在生活中还是在科研中，张韶辉都是如此和学生强调的。
在张韶辉看来，对学生科研技能和思想的培养是作为老师最重要的任务。他常常拿自己举例，博士期间做的工作和现在的工作完全不一样，但是没有人能说博士的几年时间就是没用的，正是那几年的学习培养了张韶辉独立思考、做实验的技能，即使转到新的研究方向，之前的经验也能帮助他调整状态，快速投入到新的研究中去。“无论是我自己还是课题组其他的老师，我们都非常重视对学生能力和思想上的培养。”
2021年也是张韶辉来到北京理工大学的第五年，更是“十四五”的开局之年。面对全新的机遇和挑战，张韶辉信心满满。学术上，他希望能做出有鲜明特色的研究，构建相关的学术研究体系，得到更多人的认可。在做好现有项目的同时，他希望能再上一层楼：无论是计算成像技术的研发落地，或是培养更多更好的学生，都是他未来将要努力的方向。张韶辉期待能更多地参与到以计算成像技术为核心和本质的领域中，做更多原创性的研究，为未来计算成像研究体系的构建和产业链的发掘贡献自己的力量。
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