張韶輝：在“成像”的世界里無盡探索

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)，都是人類對獲取圖像信息的不斷摸索，可以說“變革中的成像技術(shù)”是人類孜孜不倦的永恒追求。

在人類對“成像”不斷探索的過程中，隨著高性能計算機、探測器及光源的發(fā)展，計算成像極大地改變了傳統(tǒng)“所見即所得”的成像模式，通過對光學(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)過調(diào)制，往往不能直接使用，但是通過與之相配合的數(shù)字解碼過程，就可以重構(gòu)理想場景。計算成像早已超越傳統(tǒng)成像，有了諸多革命性的優(yōu)勢，如提高成像的質(zhì)量，簡化成像系統(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?；谟嬎愠上窦夹g(shù)在多個領(lǐng)域的重要作用，我國不少科研工作者在這一領(lǐng)域不斷深耕，來自北京理工大學(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，張韶輝并沒有想到自己會在未來的某一天全身心地投入計算成像的研究。他的本科在南開大學(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、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量儀器研究專家張書練老師。從物理的理論學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向了工科的實踐研究，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)計方案，這部分完成之后再針對核心器件如何選型，機械結(jié)構(gòu)怎么去設(shè)計，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……”張韶輝說著這些話，好像又回到了在實驗室里倒騰儀器設(shè)計的時候。

攻讀博士期間，張韶輝重點研究的是具有超高探測靈敏度的激光器及以其為核心的激光回饋干涉測量系統(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)由北京鐳測科技有限公司負(fù)責(zé)推廣銷售，目前已銷售至包括美國華盛頓大學(xué)圣路易斯分校在內(nèi)的數(shù)十家單位，得到了用戶的一致高度評價。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)儀器對空間場合以及被測物尺寸要求苛刻的限制，擴大了激光干涉儀的應(yīng)用范圍。在張韶輝看來，激光自混合干涉是一個很好的科研方向，干涉測量儀器是非常實用的工具，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)出多種精密測量儀器，不管是在理論上還是實踐上都收獲頗豐。

“我的導(dǎo)師張書練老師很了解每個學(xué)生的特點，他從不會從細(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)點為我提出建議和指導(dǎo)，這培養(yǎng)了我獨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，他如是說道。張書練老師對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、堅持應(yīng)用導(dǎo)向、堅持原理創(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，任特別副研究員。“郝老師長期從事新型光電成像傳感和光電精密測試技術(shù)方向研究，在復(fù)雜表面瞬態(tài)測量領(lǐng)域做出了國際領(lǐng)先的工作。與張老師對待我的方式很相似，郝老師給予我充分的支持和信任，提供很好的平臺條件和經(jīng)費支持，這也增加了我開展新方向的信心?！眹@著郝群教授團(tuán)隊的研究發(fā)展思路，張韶輝開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歸來，向他介紹了計算成像研究的內(nèi)涵和技術(shù)特征。

在經(jīng)過一段時間的思考與權(quán)衡后，張韶輝選擇了計算顯微成像和結(jié)構(gòu)光投影三維測量兩個研究方向，開啟了全新的研究之旅。張韶輝很快就行動起來，他閱讀了大量不同領(lǐng)域的論文，對想要研究的方向有一個大體的了解，比如該方向主要是研究什么，有哪些人在做，現(xiàn)在發(fā)展到哪個階段，有沒有往產(chǎn)業(yè)化的方向探索……遇到不懂的地方，張韶輝會主動找到相關(guān)領(lǐng)域的老師去溝通，絕大多數(shù)老師都會把他研究的領(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)度十分開放和包容。張韶輝說：“一直到現(xiàn)在，我都覺得轉(zhuǎn)變方向是個艱難的事情，尤其是需要同時面臨來自多個方面的壓力?！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，給了他很大的鼓勵和幫助，讓他在探索的道路上不迷茫。

多維度的世界

對于出身物理系的張韶輝來說，他對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，他更是有一種莫名的成就感。進(jìn)入全新的“計算成像”研究領(lǐng)域，無疑是進(jìn)入了一個新奇的世界。計算成像不同于傳統(tǒng)的成像，它更強調(diào)在成像的過程中主動加入一些調(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、偏振態(tài)，甚至控制照明的模式。研究人員會從光與物質(zhì)相互作用的物理層面出發(fā)去理解和設(shè)計需要“調(diào)制”的光場維度，然后設(shè)計構(gòu)建具體的光場“調(diào)制”方式去實現(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題的病態(tài)程度的，最終通過結(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)逆問題解算算法，從而獲得一個更加接近真實場景的成像結(jié)果，信息量得以增加，維度得以擴展。

“計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，雖然還處于一個方向發(fā)展的初期，卻擁有欣欣向榮的發(fā)展?jié)摿Γ艺J(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)”。在計算顯微成像這個新的研究方向，張韶輝獲得的第一個研究議題就是非傳統(tǒng)光學(xué)顯微系統(tǒng)的設(shè)計。

光學(xué)顯微成像是通過光穿過樣本時光場參數(shù)被調(diào)制而實現(xiàn)微小結(jié)構(gòu)認(rèn)知的一類成像方法。自16世紀(jì)末開始，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)展成為一個龐大的體系，在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)檢測等領(lǐng)域發(fā)揮了非常重要且無可替代的作用。雖然已在多個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題尤為突出。

“我們在探索與研究一些新的顯微成像機理，其均具有顯著的計算成像特征。除原理探索外，我們也設(shè)計構(gòu)建了一些操作簡單但性能良好的系統(tǒng)，并嘗試和公司合作，希望能往實際應(yīng)用方面推進(jìn)一步。”張韶輝還申請了北京市自然科學(xué)基金面上項目，針對當(dāng)前生命科學(xué)領(lǐng)域中對生物組織及活動規(guī)律的信息需求，以及公共衛(wèi)生領(lǐng)域中偏遠(yuǎn)地區(qū)和野外救援等場合對于低價、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、簡單易操作的顯微成像方法與系統(tǒng)，起到對于生物、生命科學(xué)以及疾病檢測及防護(hù)的重要作用。

計算顯微通?？梢詫崿F(xiàn)大空間帶寬積成像和定量相位成像，是對傳統(tǒng)顯微成像方法中成像維度及數(shù)據(jù)量的擴展。與此同時，張韶輝還開展了屬于“機器視覺”領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)光投影三維測量方法與系統(tǒng)研究。“這個研究領(lǐng)域目標(biāo)也是對成像維度的擴展，將二維擴展到了三維，只是在待測物的尺度上與顯微成像有所差別，計算成像的理念是相通的。”張韶輝頗有信心地說道。

在經(jīng)過一段時間基于結(jié)構(gòu)光投影的三維測量研究后，張韶輝與北醫(yī)三院的主治醫(yī)生建立了聯(lián)系，針對潛在馬凡綜合癥患者存在的手指細(xì)長、指關(guān)節(jié)腫大等特征，開展基于條紋結(jié)構(gòu)光投影的光學(xué)非接觸三維測量方法及系統(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)長不勻稱，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?，F(xiàn)階段對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。

張韶輝希望通過對患者手部特征進(jìn)行快速光學(xué)單位測量與成像，并在此基礎(chǔ)上通過深度學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行鑒別，完成數(shù)據(jù)采集、處理及顯示，實現(xiàn)快速的手部三維測量與重建，這有望實現(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。“我們根據(jù)患者的手部尺寸特征，進(jìn)行條紋投影系統(tǒng)的設(shè)計及元器件選型和標(biāo)定等工作?！睆埳剌x解釋說道。在研究的過程中，他發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)光投影三維測量這個領(lǐng)域有很大的定制特性，它需要根據(jù)實際場景來調(diào)試成像系統(tǒng)的參數(shù)。“這也是我在認(rèn)識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)入這個方向的一個重要原因。我們以目標(biāo)應(yīng)用場景為導(dǎo)向，在理論方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)行硬件的設(shè)計選型和軟件算法的編寫，最終確定我們的整體系統(tǒng)和方案?！睆埳剌x對自己的選擇有了更加堅定的底氣。

目前，這一名為“條紋投影手部特征三維測量”的項目已經(jīng)申請到了北京理工大學(xué)科技創(chuàng)新計劃科研基地科技支撐專項計劃，正在穩(wěn)步有序地開展研究。

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

教導(dǎo)的力量

作為曾經(jīng)的“門外漢”，踏入計算成像領(lǐng)域?qū)Ξ?dāng)時的張韶輝來說，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)和不再動搖的心。

過往的鋪墊早已讓今天的張韶輝逐漸成長為能獨當(dāng)一面的科研人，2021年是他成為老師的第五年，他希望能夠堅持做感興趣的科學(xué)研究，能夠繼續(xù)做實用儀器設(shè)備的研發(fā)工作。而面對自己的學(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?，他們可能因為不好意思說出口的時候，我已經(jīng)感受到了在這個階段他們可能遇到的一些問題，能夠主動進(jìn)行疏導(dǎo)。壞處就是他們隨便想一個偷懶的意圖我都知道，一些偷懶小技巧我可能也用過。學(xué)生就像弟弟妹妹，我們相處的過程中也是斗智斗勇，不過整體來說還是挺好的，一直與年輕的思想進(jìn)行交流會覺得自己變老的速度被減慢?！睆埳剌x感嘆道。

對于自己的學(xué)生，張韶輝有著獨特的教導(dǎo)原則和方法?！拔医?jīng)常和學(xué)生們說，我們是彼此平等的合作關(guān)系，只不過我們在合作中有身份的差異，你一定要有自己的想法、自己的規(guī)劃，遇到問題我們可以一起討論，我也會提供經(jīng)驗和分析，但是我基本不會幫學(xué)生做決定，我希望學(xué)生在做每一個決定的時候，都能對自己負(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)生強調(diào)的。

在張韶輝看來，對學(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，但是沒有人能說博士的幾年時間就是沒用的，正是那幾年的學(xué)習(xí)培養(yǎng)了張韶輝獨立思考、做實驗的技能，即使轉(zhuǎn)到新的研究方向，之前的經(jīng)驗也能幫助他調(diào)整狀態(tài)，快速投入到新的研究中去。“無論是我自己還是課題組其他的老師，我們都非常重視對學(xué)生能力和思想上的培養(yǎng)?！?/p>

2021年也是張韶輝來到北京理工大學(xué)的第五年，更是“十四五”的開局之年。面對全新的機遇和挑戰(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)有項目的同時，他希望能再上一層樓：無論是計算成像技術(shù)的研發(fā)落地，或是培養(yǎng)更多更好的學(xué)生，都是他未來將要努力的方向。張韶輝期待能更多地參與到以計算成像技術(shù)為核心和本質(zhì)的領(lǐng)域中，做更多原創(chuàng)性的研究，為未來計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。