王博文：通過(guò)計(jì)算，黑夜變“白晝”

2023年6月的一期《焦點(diǎn)訪談》節(jié)目中，幾位大學(xué)生正站在上海外灘指著黃浦江對(duì)岸的東方明珠向記者演示：“您看我們離它應(yīng)該有一兩公里遠(yuǎn)，現(xiàn)在這些高樓的燈已全部熄滅了，看看我們能在黑暗中拍到些什么吧！”說(shuō)完，他們用一臺(tái)神秘的設(shè)備進(jìn)行了拍攝?；氐綄?shí)驗(yàn)室，幾張剛剛拍完的照片被導(dǎo)入電腦中。

展現(xiàn)在電腦屏幕上的畫(huà)面令人驚嘆，黑夜中的陸家嘴竟如白晝般清晰可見(jiàn)，不僅能看到東方明珠上的任何一個(gè)小細(xì)節(jié)，就連周圍樓宇上的字、黃浦江上行船的浮標(biāo)、甚至一只在黑夜中飛翔的小鳥(niǎo)，都能被敏銳地捕捉到。

在黑暗中依然火眼金睛、明察秋毫，這就是國(guó)際上第一臺(tái)基于計(jì)算成像原理的超高清紅外熱像儀，它由南京理工大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)2019級(jí)博士生王博文帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)5年研發(fā)而成，這項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)造了紅外成像億像素的世界紀(jì)錄。

王博文團(tuán)隊(duì)研發(fā)的超高清紅外熱像儀鏡頭下黑暗中的黃浦江夜景

夜視探測(cè)

1900年，德國(guó)物理學(xué)家馬克斯·普朗克提出：任何物體，只要溫度在絕對(duì)0℃以上，就會(huì)不停地向周圍發(fā)射熱輻射。這意味著，即使置身于黑夜之中，物體都無(wú)時(shí)無(wú)刻不散發(fā)著光——也就是紅外熱輻射。

二戰(zhàn)期間，一些軍事強(qiáng)國(guó)利用紅外熱輻射的原理研制出紅外熱像儀，將黑夜變成“白晝”，并逐漸編配坦克、艦船、飛機(jī)乃至單兵，形成夜間作戰(zhàn)的“單向透明”優(yōu)勢(shì)。如今，紅外夜視儀已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的核心戰(zhàn)斗力之一。可以說(shuō)誰(shuí)擁有先進(jìn)的夜視技術(shù)，就擁有了戰(zhàn)爭(zhēng)的“治夜權(quán)”。

2018年，王博文考取南京理工大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)研究生。作為“國(guó)防七子”之一的南京理工大學(xué)，始終肩負(fù)著“強(qiáng)大國(guó)防、繁榮祖國(guó)”的使命。學(xué)校里名師眾多，如我國(guó)探索火炸藥領(lǐng)域的著名專家王澤山院士，他用60余載書(shū)寫(xiě)了火炸藥“三冠王”的傳奇。如今近90歲高齡的王院士，依然奮戰(zhàn)在科研一線。這種對(duì)祖國(guó)的赤膽忠心，對(duì)事業(yè)的執(zhí)著熱愛(ài)，深深影響了南理工學(xué)子。

研究生期間，王博文跟隨導(dǎo)師左超，走訪了許多光電企業(yè)，他們了解到傳統(tǒng)光學(xué)成像技術(shù)面臨著一系列發(fā)展的瓶頸。紅外探測(cè)器經(jīng)歷了“點(diǎn)——線——面”的三次技術(shù)進(jìn)步，技術(shù)發(fā)展使像元（組成數(shù)字化影像的最小單元）尺寸越來(lái)越小，像素?cái)?shù)也越來(lái)越高，但傳統(tǒng)紅外成像、夜視成像裝備的成像機(jī)理仍是傳統(tǒng)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的光強(qiáng)直接探測(cè)。

隨著研究的深入，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，決定成像分辨率的并非是像素?cái)?shù)量，而是像元尺寸、光子探測(cè)極限與光學(xué)衍射極限這三者間的相互制約。通俗來(lái)說(shuō)，縮小器件的像元尺寸，并不一定能提高分辨率。因?yàn)橐坏┫裨叽缈s小，光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度也會(huì)隨之下降，這會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)距離的拍攝目標(biāo)在視線中出現(xiàn)的概率降低，如果連目標(biāo)都捕捉不到，又何談分辨率呢？

這一瓶頸問(wèn)題使紅外成像在第三代——百萬(wàn)像素的節(jié)點(diǎn)上，禁錮了長(zhǎng)達(dá)20年之久。即便是技術(shù)相對(duì)先進(jìn)的美國(guó)，目前也只能達(dá)到1280這種千萬(wàn)級(jí)像素。

因?yàn)橐挂曁綔y(cè)技術(shù)的敏感性，具備核心技術(shù)的少數(shù)國(guó)家長(zhǎng)期對(duì)外實(shí)行技術(shù)封鎖。諸多因素使得打造屬于我們自己的“新一代超高清夜視儀”迫在眉睫。

計(jì)算光學(xué)

物理成像制約著紅外探測(cè)器的加工制造水平，使其無(wú)法實(shí)現(xiàn)更高分辨率，想打破傳統(tǒng)光學(xué)成像技術(shù)的桎梏，就必須探索一種新型成像技術(shù)，才能使光電成像系統(tǒng)看得更遠(yuǎn)、更廣、更清晰、更智能。

70多年來(lái)，幾代南理工人扎根夜視成像領(lǐng)域，他們接續(xù)奮斗。近年來(lái)，信息技術(shù)的高速發(fā)展為光學(xué)成像注入了新的活力，計(jì)算成像應(yīng)運(yùn)而生，在悄無(wú)聲息中顛覆了人類與機(jī)器感知客觀世界的方式。2018年，在導(dǎo)師左超的建議下，王博文開(kāi)始從計(jì)算光學(xué)成像入手，探索新一代智能計(jì)算光電成像技術(shù)的可能性。

傳統(tǒng)成像方式是鏡頭加相機(jī)直接成像，所見(jiàn)即所得，想拍到距離更遠(yuǎn)的圖像，就需要改變焦距。王博文想，能不能嘗試不改變焦距，就在廣域視場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)高分辨探測(cè)，做到所見(jiàn)非所得。這就好比拍攝一面遠(yuǎn)距離的建筑物，是否可以通過(guò)在鏡頭里加入編碼細(xì)節(jié)，再進(jìn)行光學(xué)調(diào)控和數(shù)學(xué)建模，讓人不僅能看到建筑物的外墻，甚至因?yàn)槲矬w本身的溫度差，利用紅外技術(shù)，讓墻體里的每塊磚都能被看到。

在項(xiàng)目開(kāi)始階段，王博文決定先驗(yàn)證方案的可行性，再驗(yàn)證器械的可行性。可見(jiàn)光與紅外主要是波長(zhǎng)的差別，他決定先在可見(jiàn)光系統(tǒng)上建模做等效替代。若技術(shù)原理可行，再做紅外階段的驗(yàn)證。王博文打了個(gè)形象的比喻，好比要開(kāi)發(fā)一種新型飛行控制系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用之前需要驗(yàn)證其可行性，直接進(jìn)行真實(shí)飛行測(cè)試可能非常危險(xiǎn)且昂貴，這時(shí)候可以考慮使用飛行模擬器作為技術(shù)原理的等效替代方案進(jìn)行驗(yàn)證。

但不久后，王博文就發(fā)現(xiàn)紅外系統(tǒng)仍存在許多與可見(jiàn)光系統(tǒng)不同的技術(shù)細(xì)節(jié)，例如在成像系統(tǒng)中，必須要用到空間光調(diào)制器來(lái)改變光通量以調(diào)試各個(gè)光學(xué)元件，從而進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。但目前該儀器在國(guó)外對(duì)我們屬于禁運(yùn)產(chǎn)品，無(wú)法獲得，實(shí)驗(yàn)一度陷入僵局。

又歷經(jīng)了1年多對(duì)計(jì)算成像核心機(jī)理的探索，王博文驚喜地發(fā)現(xiàn)，成像方案并不一定非要用到空間光調(diào)制器，可以利用近些年在計(jì)算成像領(lǐng)域中經(jīng)常采用的編碼孔徑技術(shù)。編碼孔徑技術(shù)是在傳統(tǒng)的光學(xué)孔徑中插入一個(gè)具有特定結(jié)構(gòu)的掩模板，這種方法能克服傳統(tǒng)成像系統(tǒng)的缺陷，可以在不犧牲分辨率的情況下，增加光學(xué)系統(tǒng)的通光率。

王博文嘗試先將物理光闌（“光闌”是指在光學(xué)系統(tǒng)中對(duì)光束起著限制作用的實(shí)體。在光學(xué)系統(tǒng)中將限制光束最多的光闌稱為孔徑光闌）加入成像系統(tǒng)，然后通過(guò)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，也能實(shí)現(xiàn)等效替代。他所采用的這種方式叫做雙縫孔徑編碼。

通過(guò)雙縫孔徑編碼的成像方式，王博文團(tuán)隊(duì)有效地突破成像系統(tǒng)固有的物理瓶頸，成功實(shí)現(xiàn)了超分辨重建，將成像分辨率提升3倍以上，終于打破紅外成像“百萬(wàn)像素”分辨率的禁錮，實(shí)現(xiàn)了成像分辨率、探測(cè)靈敏度等核心指標(biāo)的革命性提升。

“夜”行者

反復(fù)實(shí)驗(yàn)是王博文團(tuán)隊(duì)在這5年里做得最多的事。實(shí)驗(yàn)對(duì)儀器精度要求高，但教學(xué)樓挨著馬路，旁邊不遠(yuǎn)處還有一條鐵路，每次有火車經(jīng)過(guò)時(shí)，地面就會(huì)出現(xiàn)輕微抖動(dòng)。沒(méi)有遠(yuǎn)距離的實(shí)驗(yàn)室，他們就在實(shí)驗(yàn)室外的走廊里，設(shè)置了50～100米的目標(biāo)，做替代實(shí)驗(yàn)。因?yàn)橐B續(xù)拍圖，白天人來(lái)人往，只能等到夜深人靜，沒(méi)有了外界的干擾，才有好的實(shí)驗(yàn)效果。

實(shí)驗(yàn)中常常要分析數(shù)據(jù)，億像素的圖片讓電腦讀取速度變得非常緩慢，“跑”一組圖經(jīng)常需要幾小時(shí)到十幾個(gè)小時(shí)，有時(shí)還會(huì)在半途“跑崩”。為了盡快得到反饋結(jié)果，實(shí)驗(yàn)人員要不斷查看電腦屏幕，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)修改參數(shù)。如果人不盯著，問(wèn)題數(shù)據(jù)就會(huì)被覆蓋，等到第二天發(fā)現(xiàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)后續(xù)進(jìn)度就會(huì)受到影響。項(xiàng)目組的同學(xué)索性每人買(mǎi)了張行軍床放在實(shí)驗(yàn)室，隨時(shí)可以“安營(yíng)扎寨”。王博文笑著說(shuō)，“熬夜不痛苦，如果今晚做不完實(shí)驗(yàn)，那才痛苦呢?！?/p>

想看得遠(yuǎn)，得站到一個(gè)制高點(diǎn)。除了教學(xué)樓的走廊，還得去視野更開(kāi)闊的地方，城市里不好找高點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，王博文就和小伙伴帶上好幾十斤重的設(shè)備爬到南京的紫金山頂?；厝グl(fā)現(xiàn)圖片處理得不理想，第二天就再上山。幾年里，從學(xué)校的靶場(chǎng)，到南京玄武湖、紫金山、長(zhǎng)江大橋都留下了他們奔忙的身影。

為了推動(dòng)成果轉(zhuǎn)化，在學(xué)校和導(dǎo)師的幫助下，2022年5月，王博文組建了“光影流轉(zhuǎn)”智能計(jì)算光電成像團(tuán)隊(duì)。他與來(lái)自南理工電光、經(jīng)管、設(shè)傳等學(xué)院的10多名同學(xué)共同踏上了追光逐夢(mèng)的旅途。

2022年，對(duì)王博文團(tuán)隊(duì)而言，是豐收的一年，他們創(chuàng)造了紅外成像“億像素”的世界紀(jì)錄。不僅如此，他們還完成了產(chǎn)品體系從處理芯片、機(jī)芯模組、系統(tǒng)整機(jī)的全方位覆蓋，所有核心部件全國(guó)產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)了“全鏈路”的自主可控。

特殊的來(lái)信

從科研工作者到項(xiàng)目組的大師兄，王博文也經(jīng)歷了個(gè)人角色的轉(zhuǎn)變。一天，有位剛剛加入團(tuán)隊(duì)的小師弟跑來(lái)問(wèn)他：“師兄，我怎樣才能快速發(fā)表論文、參加國(guó)際會(huì)議？”明知學(xué)弟是奔著學(xué)分而來(lái)的，王博文沒(méi)有多說(shuō)什么，只是告訴他，沒(méi)有踏實(shí)的付出，很難有好的科研成果。

2023年6月底的一天，王博文收到了一封特殊的來(lái)信，寫(xiě)信人是一位來(lái)自北京的80多歲老人。老人說(shuō)自己搞了一輩子的光學(xué)研究，從新中國(guó)剛成立時(shí)起，為了提高邊防守衛(wèi)能力，國(guó)家投入了大量人力和經(jīng)費(fèi)，研究夜視圖像，但一直沒(méi)得到很大發(fā)展。半個(gè)月前，他從電視節(jié)目中得知王博文團(tuán)隊(duì)在遠(yuǎn)紅外熱成像技術(shù)上達(dá)到億像素后，激動(dòng)不已。老人表示，如果以后團(tuán)隊(duì)在技術(shù)和產(chǎn)業(yè)落地上遇到困難，他愿盡全力支持。

在團(tuán)隊(duì)一周一次的例會(huì)上，王博文與大家分享了這封信，在場(chǎng)的每個(gè)同學(xué)在感動(dòng)之余，都激發(fā)出一種前所未有的使命感。

那天后，王博文發(fā)現(xiàn)小師弟變了，他開(kāi)始扎根領(lǐng)域，每天忘我地做科研，主動(dòng)加班。有幾次王博文清早6點(diǎn)多來(lái)到實(shí)驗(yàn)室，發(fā)現(xiàn)師弟還在忙。現(xiàn)在這位師弟不僅發(fā)表了好幾篇論文、參加了國(guó)際會(huì)議，還單獨(dú)負(fù)責(zé)了團(tuán)隊(duì)的一個(gè)研究方向。

經(jīng)過(guò)“光影流轉(zhuǎn)”團(tuán)隊(duì)的不懈努力，在創(chuàng)造紅外成像億像素的世界紀(jì)錄后，他們乘勝追擊，又在紅外夜視眼、智能眼、千里眼等多個(gè)方向進(jìn)行深入研究。目前，他們的技術(shù)被應(yīng)用于陸軍某型號(hào)步戰(zhàn)車上，為其構(gòu)建了晝夜無(wú)差別“全天時(shí)”廣視域，讓探測(cè)距離提高了80%，5～8公里內(nèi)的活動(dòng)都逃不出探測(cè)儀的法眼。研制的小型化融合夜視儀編配至陸軍單兵，讓300米外藏匿目標(biāo)清晰可見(jiàn)，人體目標(biāo)識(shí)別率較前一代產(chǎn)品得到大幅提升。

2022年底，由中國(guó)工程院莊松林院士、崔向群院士等組成的國(guó)防成果鑒定專家組認(rèn)為，項(xiàng)目在技術(shù)路線上擺脫了前三代紅外成像技術(shù)對(duì)材料器件工藝的束縛，為未來(lái)紅外成像技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了“信息化”與“智能化”的全新維度，其總體技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

除了深耕國(guó)防科研領(lǐng)域，王博文也努力將成果向民用領(lǐng)域轉(zhuǎn)化。在手機(jī)端影像方面，團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)某知名手機(jī)制造公司開(kāi)展了技術(shù)合作，將孔徑編碼成像方案推廣應(yīng)用至高端手機(jī)系列影像模組中，突破了傳統(tǒng)手機(jī)攝影系統(tǒng)分辨率、信噪比之間的制約關(guān)系，實(shí)現(xiàn)手機(jī)的夜間超高清畫(huà)質(zhì)拍攝。

2023年4月9日，第八屆中國(guó)國(guó)際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽冠軍爭(zhēng)奪賽在重慶大學(xué)舉行。來(lái)自全球100多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的4000多所院校參加了這次比賽。在參賽的340萬(wàn)個(gè)項(xiàng)目中，“光影流轉(zhuǎn)”突出重圍。王博文以860分的總成績(jī)斬獲全國(guó)總冠軍。

談及未來(lái)計(jì)算成像技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，王博文堅(jiān)信，從無(wú)人系統(tǒng)到手機(jī)攝影等，計(jì)算成像將融入人們生活的方方面面。

責(zé)任編輯：刁雅琴