從浙江到西安,從英國(guó)到澳大利亞,2023年秋,歷經(jīng)十?dāng)?shù)年輾轉(zhuǎn)求索,章為川扎根陜西科技大學(xué)(簡(jiǎn)稱“陜科大”),繼續(xù)攀登“極致科研”的高峰。在這里,他欣喜地發(fā)現(xiàn),以輕工科學(xué)為特色的陜科大有著活躍的科研氛圍、深沉的學(xué)術(shù)底蘊(yùn)?!拔以冈卮蟮?,把十余年來的科研積淀和未來的研究成果全部奉獻(xiàn)給一方百姓。”章為川深情地說。
從圖像中提取不同的特征信息用來處理興趣點(diǎn)檢測(cè)等不同的計(jì)算機(jī)視覺或圖像處理任務(wù),是章為川的主要研究領(lǐng)域。十余年來,為攻破心中關(guān)于圖像興趣點(diǎn)檢測(cè)的疑問,他不懈追尋,最終用完整的數(shù)學(xué)推導(dǎo)及從中總結(jié)得到的興趣點(diǎn)特性向世人證實(shí)了基于Harris算法和SIFT算法的理論架構(gòu)存在重大缺陷;通過幾十余篇頂刊論文,他與合作者以愚公移山的精神和實(shí)踐,撼動(dòng)了長(zhǎng)期以來被廣泛寫在計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理教科書中的“共識(shí)”,在解決“圖像興趣點(diǎn)特征信息提取及檢測(cè)”領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)和理論瓶頸問題中作出了重大貢獻(xiàn)。
“讀萬(wàn)卷書,行萬(wàn)里路”
20世紀(jì)80年代,章為川出生于鐘靈毓秀的浙江“南大門”——蒼南縣藻溪鎮(zhèn),沐浴著文化新風(fēng),他自由成長(zhǎng)?!拔腋改阜浅i_明,對(duì)我的學(xué)習(xí)成績(jī)不做嚴(yán)格要求。在讀高中之前,我最大的愛好就是看書。從最初的小人書,到抗日戰(zhàn)爭(zhēng)相關(guān)的書籍,再到武俠、歷史、傳記、藝術(shù)、哲學(xué)等書籍,我把零花錢幾乎都花在了買書上,并且把周邊能借到的書籍盡可能都借了個(gè)遍。”讀書讓章為川感到快樂和充實(shí)。從書中的大千世界,章為川汲取了豐富的養(yǎng)料,鍛煉了敏捷的思辨能力,“讀萬(wàn)卷書,行萬(wàn)里路”“盡信書,不如無(wú)書”“紙上得來終覺淺,絕知此事要躬行”等名言更對(duì)他日后的科研生涯產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。
1999年,章為川考入成都理工大學(xué),就讀電子信息專業(yè)。他敏銳地感受到中國(guó)通信事業(yè)將迎來二次騰飛。時(shí)至今日,章為川仍記得當(dāng)年各個(gè)新聞報(bào)道里都在說,全球已進(jìn)入電子信息時(shí)代,作為正攻讀相關(guān)專業(yè)的學(xué)子,他認(rèn)真思考著,如何才能把電子信息學(xué)好?!霸诟蠋熗瑢W(xué)深入討論,以及自己在學(xué)校圖書館里查閱了相關(guān)書刊之后,我發(fā)現(xiàn)要想學(xué)好電子信息專業(yè),歸根結(jié)底還是學(xué)好數(shù)學(xué)?!庇谑潜究齐A段,章為川除了學(xué)習(xí)教學(xué)規(guī)劃內(nèi)的數(shù)學(xué)課程之外,還自學(xué)了泛函、數(shù)論、小波分析、凸優(yōu)化、數(shù)學(xué)建模等豐富的數(shù)學(xué)知識(shí)。這些積累為他后面興趣點(diǎn)檢測(cè)理論架構(gòu)的建立提供了厚實(shí)的基礎(chǔ)和保障。
2003年大學(xué)畢業(yè),章為川入讀西南交通大學(xué),師從樓新遠(yuǎn)教授開展信號(hào)與信息處理方向的研究?!?年里,我在科研上‘天馬行空’,雖然樓教授把我絕大多數(shù)的想法都駁回了,但他會(huì)耐心地解釋我想法上的邏輯缺陷,培養(yǎng)了我的科研邏輯思維。”2009年,章為川又北上攻讀西安電子科技大學(xué)博士研究生,在雷達(dá)信號(hào)處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?guī)煆乃i朗教授繼續(xù)研究信號(hào)與信息處理。在導(dǎo)師的影響下,他樹立了將科研做到極致的信念,確立了更遠(yuǎn)大的目標(biāo)。因此,2013年以來,章為川一邊在西安工程大學(xué)任職,一邊懷揣“出國(guó)是為了回國(guó)”的初衷,繼“讀萬(wàn)卷書”之后,又開啟了“行萬(wàn)里路”的征程。他先后前往英國(guó)的伯恩茅斯大學(xué)、杜倫大學(xué),澳大利亞的聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO)、格里菲斯大學(xué)開展訪問交流和研究。
有了國(guó)內(nèi)的研究基礎(chǔ),章為川在信息科學(xué)領(lǐng)域“登堂入室”,2015年到2023年,8年間的海外科研可以說是章為川深入探索、成果井噴的階段。在這一時(shí)期,他收獲了代表性成果,也遇到生命中的貴人,不僅提升了認(rèn)知寬度和認(rèn)知高度,也深受這些優(yōu)秀科學(xué)家的精神品格的觸動(dòng)和影響。
在澳大利亞從事博士后研究時(shí),章為川有幸進(jìn)入聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織首席研究科學(xué)家孫長(zhǎng)明的課題組。“一進(jìn)組,孫博士就問我想做什么研究,我毫不猶豫地回答,想在自己的領(lǐng)域做出最好的工作,并把成果發(fā)表到全球人工智能和計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的頂刊《IEEE模式分析與機(jī)器智能匯刊》(T-PAMI)上?!睂O長(zhǎng)明聽后,露出贊許的目光,笑道:“好好,讓我們一起努力!”孫長(zhǎng)明為章為川打開了頂級(jí)科研的通道,幾乎對(duì)這位博士后的研究習(xí)慣進(jìn)行了一次重塑?!氨热?,如何思考問題、如何解決問題。而且,他對(duì)我要求非常嚴(yán)格,包括論文中微小的標(biāo)點(diǎn)符號(hào)和格式上的錯(cuò)漏都不可以出現(xiàn)?!痹诟邩?biāo)準(zhǔn)下,章為川刻苦鉆研,與孫長(zhǎng)明始終保持緊密合作關(guān)系,陸續(xù)在圖像興趣點(diǎn)檢測(cè)領(lǐng)域做出了一系列國(guó)際領(lǐng)先的具有原創(chuàng)性的成果。相關(guān)論文不僅獲得《IEEE模式分析與機(jī)器智能匯刊》、《計(jì)算機(jī)視覺國(guó)際期刊》(IJCV)和《IEEE圖像處理匯刊》(T-IP)等期刊的收錄,在《IEEE模式分析與機(jī)器智能匯刊》上更是發(fā)表了3篇文章,超預(yù)期實(shí)現(xiàn)了當(dāng)初的目標(biāo)。
章為川的另一段重要研究經(jīng)歷,是在格里菲斯大學(xué)的工程與建筑環(huán)境學(xué)院做了接近4年的研究員。課題組的主管負(fù)責(zé)人是高永晟教授,他是一位具備全球視野和格局的科學(xué)家。在他的帶領(lǐng)下,章為川進(jìn)入了一個(gè)全新領(lǐng)域——植物病蟲害檢測(cè)及分類。“在高教授的引導(dǎo)下,我與他合作在植物病蟲害檢測(cè)及分類、醫(yī)學(xué)圖像處理、可解釋性深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)領(lǐng)域做出了一系列原創(chuàng)性成果?!毕嚓P(guān)工作成果獲得《IEEE模式分析與機(jī)器智能匯刊》、《模式識(shí)別》(PR),以及醫(yī)學(xué)圖像分析領(lǐng)域國(guó)際公認(rèn)的最具影響力的學(xué)術(shù)會(huì)議——醫(yī)學(xué)圖像計(jì)算與計(jì)算機(jī)輔助干預(yù)國(guó)際會(huì)議(MICCAI)的收錄。這段特殊的科研經(jīng)歷,也讓章為川學(xué)會(huì)了在遇到全新課題時(shí)如何思考并解決,積累了更加從容應(yīng)對(duì)新挑戰(zhàn)的信心和勇氣。
如今在工作中,章為川經(jīng)常對(duì)學(xué)生說這樣的話:“科學(xué)研究不可以總是做跟隨性研究,一定要沉住氣、靜下心,在前沿領(lǐng)域持續(xù)開展原始創(chuàng)新?!彼J(rèn)為,基礎(chǔ)理論的原始創(chuàng)新研究雖然在短期內(nèi)無(wú)法產(chǎn)生任何經(jīng)濟(jì)效益,甚至有些基礎(chǔ)理論研究看不到在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的價(jià)值,但必須承認(rèn),恰恰是基礎(chǔ)理論研究制約了許多國(guó)家的科研和工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。所以,這些年他始終秉持著最初的理念,不懈深耕于其中。
十年磨一劍,錘煉極致科研
“來到陜科大后,我發(fā)現(xiàn)電子信息與人工智能學(xué)院的科研基礎(chǔ)與我的研究方向十分契合,這里現(xiàn)有中國(guó)輕工業(yè)清潔生產(chǎn)自動(dòng)化與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、陜西省人工智能聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、陜西省平板顯示技術(shù)工程研究中心、人工智能與微系統(tǒng)未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究院等省部級(jí)教學(xué)科研平臺(tái),對(duì)我們團(tuán)隊(duì)日后的研究十分有利?!闭聻榇ㄅd奮地說。
圖像興趣點(diǎn)檢測(cè)是章為川很早就關(guān)注的方向。學(xué)界通常把角點(diǎn)和斑點(diǎn)歸為興趣點(diǎn),分別用水平和豎直方向的圖像一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)信息來檢測(cè)角點(diǎn)和斑點(diǎn)。這兩個(gè)算法幾乎成了興趣點(diǎn)檢測(cè)器的標(biāo)準(zhǔn)算法,被寫入各種各樣的計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理的教科書,廣泛運(yùn)用于不同的計(jì)算機(jī)任務(wù)中,且現(xiàn)有基于深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的興趣點(diǎn)檢測(cè)算法大多也是基于Harris算法或SIFT算法的理論架構(gòu)而設(shè)計(jì)。相關(guān)基礎(chǔ)理論猶如兩座大山,難以撼動(dòng)。
早在2013年時(shí),章為川已敏銳地從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)圖像水平和豎直方向的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)信息用來檢測(cè)角點(diǎn)和斑點(diǎn)的理論架構(gòu)存在問題,也曾試著跟人討論,“但對(duì)方聽了我說的話之后直接勸我放棄這個(gè)幼稚且不切實(shí)際的想法,畢竟只有完整的數(shù)學(xué)推導(dǎo)并從中總結(jié)得到的興趣點(diǎn)特性才能向世人證實(shí)這兩個(gè)基本理論架構(gòu)存在重大缺陷”。為建立離散曲率解析表達(dá)式,章為川和他的合作者孫長(zhǎng)明曾經(jīng)整整花了5個(gè)多月,用了2000多張A4紙去證明長(zhǎng)期以來本科高等數(shù)學(xué)教材中的離散曲率計(jì)算公式存在的重大理論缺陷,并提出了新的離散曲率計(jì)算公式?!拔覀円玫降牟皇墙平?,而是閉式解,但很多式子按照常規(guī)解題思路無(wú)法繼續(xù)推導(dǎo)得到,需要用到大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算技巧,導(dǎo)致運(yùn)算復(fù)雜度非常高。有時(shí)候,我們要花一周甚至兩周才能讓離散曲率解析式往前推動(dòng)一步?!边^程中,章為川面臨的最大問題就是變量繁多,在連續(xù)5個(gè)多月的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程中,不可以犯任何的書寫和運(yùn)算錯(cuò)誤,完全是對(duì)一個(gè)人毅力和耐力的重大考驗(yàn),幸好在孫長(zhǎng)明的鼓勵(lì)下,他堅(jiān)持了下來。之后,文章在《IEEE圖像處理匯刊》順利發(fā)表,對(duì)后續(xù)的科研成果被頂刊《IEEE模式分析與機(jī)器智能匯刊》《計(jì)算機(jī)視覺國(guó)際期刊》錄用鋪墊了良好開端。
2023年8月章為川回國(guó)前夕,更成熟的研究成果發(fā)表在《IEEE模式分析與機(jī)器智能匯刊》。文章中寫道:“盡管文獻(xiàn)中已經(jīng)有很多關(guān)于興趣點(diǎn)檢測(cè)的文章,但我們總是有一個(gè)疑問:我們是否充分考慮過如何利用灰度變化信息來檢測(cè)圖像中的興趣點(diǎn)?我們的主要問題如下:我們是否充分考慮過如何準(zhǔn)確地獲取圖像的一階或二階導(dǎo)數(shù)信息來檢測(cè)興趣點(diǎn)?我們是否充分考慮過角點(diǎn)和斑點(diǎn)之間的特征差異?我們是否充分考慮過如何準(zhǔn)確地檢測(cè)圖像中的角點(diǎn)和斑點(diǎn)?我們的研究表明,現(xiàn)有的興趣點(diǎn)檢測(cè)方法存在兩個(gè)主要問題:一是從來沒有人解釋如何準(zhǔn)確地從圖像中提取灰度變化信息來檢測(cè)興趣點(diǎn),無(wú)論是角點(diǎn)還是斑點(diǎn);二是從來沒有人從數(shù)學(xué)解析表達(dá)式的角度準(zhǔn)確解釋角點(diǎn)和斑點(diǎn)之間的特征差異,以及興趣點(diǎn)的幅度響應(yīng)、比例因子和濾波方向之間的關(guān)系。”
經(jīng)過多年的持續(xù)叩問,章為川和孫長(zhǎng)明建立了不同的角點(diǎn)和斑點(diǎn)模型,并利用一階和二階廣義高斯(各向異性/各向同性)方向?qū)?shù)濾波器去推導(dǎo)不同角點(diǎn)和斑點(diǎn)的數(shù)學(xué)解析表達(dá)式,并總結(jié)角點(diǎn)和斑點(diǎn)的物理屬性,進(jìn)而對(duì)角點(diǎn)和斑點(diǎn)進(jìn)行了重新詮釋,如:什么是角點(diǎn),什么是斑點(diǎn),角點(diǎn)和斑點(diǎn)的聯(lián)系和區(qū)別,如何從圖像中提取特征信息用于準(zhǔn)確描述角點(diǎn)和斑點(diǎn),如何從圖像中提取特征信息用于準(zhǔn)確檢測(cè)角點(diǎn)和斑點(diǎn),圖像水平和豎直方向的一階導(dǎo)數(shù)無(wú)法用來準(zhǔn)確地描述邊緣和角點(diǎn)的特征差異,圖像多尺度水平和豎直方向的二階導(dǎo)數(shù)無(wú)法用來準(zhǔn)確描述斑點(diǎn)和角點(diǎn)的特征差異及準(zhǔn)確檢測(cè)斑點(diǎn)等?;诮屈c(diǎn)和斑點(diǎn)的數(shù)學(xué)解析表達(dá)式,他們不僅做出了國(guó)際領(lǐng)先的原創(chuàng)成果,而且他們的算法在不同圖像仿射變換條件下具有更穩(wěn)定的檢測(cè)性能,且在圖像配準(zhǔn)、3D重建、圖像斑塊檢測(cè)、血管內(nèi)的血斑檢測(cè)、植物病蟲害檢測(cè)等不同的計(jì)算機(jī)視覺任務(wù)中,相關(guān)算法性能指標(biāo)均比現(xiàn)有算法好,提出的理論架構(gòu)也能更好地指導(dǎo)深度網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)用于圖像興趣點(diǎn)檢測(cè)。此外,相關(guān)方法和成果還獲得牛津大學(xué)、悉尼大學(xué)、悉尼科技大學(xué)、約翰·霍普金斯大學(xué)和捷克理工大學(xué)等世界一流高校的學(xué)者在多篇論文中的多次引用和高度評(píng)價(jià)。
一心想做極致科研的章為川,十年磨一劍,在解決“圖像興趣點(diǎn)特征信息提取及檢測(cè)”領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)和理論瓶頸問題中作出了重大貢獻(xiàn),實(shí)現(xiàn)了一直以來的心愿。
產(chǎn)學(xué)研聯(lián)動(dòng),服務(wù)國(guó)計(jì)民生
閱遍千山萬(wàn)水,赤子情懷未變?!?015年,我懷著沉重的心情,游覽了大英博物館,看到本應(yīng)屬于祖國(guó)的珍貴文物被異國(guó)搶掠并堂而皇之展出,一瞬間仿佛夢(mèng)回那個(gè)動(dòng)蕩屈辱的時(shí)代,內(nèi)心震動(dòng)。也是在那一瞬,我更加理解國(guó)強(qiáng)才能民安的內(nèi)涵和重要性。這些年在國(guó)外,我時(shí)刻關(guān)心著國(guó)內(nèi)動(dòng)態(tài),脫貧攻堅(jiān)、鄉(xiāng)村振興,以社會(huì)主義制度為基礎(chǔ)的減貧模式不斷取得新成就、創(chuàng)造新奇跡,我由衷地感到驕傲和開心,也督促自己更努力,希望科研豐收之際趕緊回國(guó),跟大家一起把祖國(guó)建設(shè)得更美好。”
志相合者,不以山海為遠(yuǎn)。2023年秋天,已是格里菲斯大學(xué)首席研究員的章為川,帶著在圖像局部特征提取設(shè)計(jì)、局部特征數(shù)學(xué)解析表達(dá)式的構(gòu)建、圖像壓縮、圖像分割、小樣本細(xì)粒度圖像分類等理論方法研究與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)表的80余篇論文成果(其中《科學(xué)引文索引》(SCI)論文31篇、《美國(guó)工程索引》(EI)論文30余篇)毅然回國(guó),加入陜科大。這是一場(chǎng)令人欣喜的雙向奔赴,“我給國(guó)內(nèi)好幾所高校都投遞了簡(jiǎn)歷,但唯有陜科大的電子信息與人工智能學(xué)院的呂文華書記和馬令坤院長(zhǎng)在不到一周的時(shí)間內(nèi)就把所有流程都幫我辦理完畢,他們的誠(chéng)意讓我無(wú)法拒絕”。陜科大強(qiáng)烈的愛才惜才之心和硬核的人才引進(jìn)政策,促成了章為川第三次留在西安,并堅(jiān)定扎根三秦大地、產(chǎn)學(xué)研聯(lián)動(dòng)促發(fā)展的決心。
2023年9月,章為川團(tuán)隊(duì)聯(lián)合青島認(rèn)知人工智能研究院提出了一個(gè)注意力再注意力的非線性變換端到端網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來代替線性變換作為圖像和視頻壓縮的主體架構(gòu)。相關(guān)成果很好地應(yīng)用于浙江某銀行業(yè)務(wù)單據(jù)壓縮工作中。據(jù)統(tǒng)計(jì),這個(gè)銀行在浙江省有支行82個(gè),有網(wǎng)點(diǎn)約4000個(gè),平均每個(gè)支行每天產(chǎn)生的業(yè)務(wù)流水單據(jù)圖片數(shù)據(jù)量約20GB??傂袛M對(duì)浙江省82家支行業(yè)務(wù)流水單據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理,通過對(duì)這些業(yè)務(wù)單據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮,降低支行到總行的傳輸帶寬投入,以及總行的存儲(chǔ)設(shè)備投入。預(yù)計(jì),這一技術(shù)應(yīng)用以后,每年將為相關(guān)銀行直接節(jié)省成本1217萬(wàn)元;此外,章為川團(tuán)隊(duì)還聯(lián)合西安捷達(dá)測(cè)控有限公司提出了一個(gè)多尺度特征融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)用于陜西省安康市永久性農(nóng)田的SAR圖像變化檢測(cè)方案,相關(guān)算法的準(zhǔn)確率達(dá)80%以上;同時(shí),章為川還帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院神經(jīng)外科,對(duì)腦膠質(zhì)瘤患者術(shù)前的腫瘤進(jìn)行定位及腫瘤級(jí)別進(jìn)行分類,對(duì)術(shù)后患者生存期預(yù)測(cè)進(jìn)行建模。
在陜科大的大力支持下,章為川領(lǐng)銜的圖像計(jì)算實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì),現(xiàn)已有5名教師和15名研究生。課題涉及圖像壓縮、醫(yī)學(xué)圖像分析與處理、興趣點(diǎn)檢測(cè)及圖像配準(zhǔn)、3D重建,以及相關(guān)技術(shù)在無(wú)人駕駛中的運(yùn)用等。過往的經(jīng)歷造就了章為川開明負(fù)責(zé)的育人觀,他說:“我作為團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人,有責(zé)任和義務(wù)把團(tuán)隊(duì)成員培養(yǎng)好,讓他們都能茁壯成長(zhǎng)。我們每一次的課題討論都是開誠(chéng)布公的平等對(duì)話,因?yàn)槲艺J(rèn)為沒有人可以逼迫別人做他們不喜歡做的事。只有設(shè)身處地想成員所想,為他們謀機(jī)會(huì)、謀成長(zhǎng),團(tuán)隊(duì)才會(huì)更快更好地向前奔跑?!?/p>
這些年,輾轉(zhuǎn)國(guó)內(nèi)外多地求學(xué)探索,章為川始終沒有放棄小時(shí)候的愛好。工作之余,他最喜歡的仍是閱讀,家中萬(wàn)余本藏書已經(jīng)讓他實(shí)現(xiàn)了少年時(shí)與書為伴的心愿。不知疲倦的閱讀壘砌起章為川登高的階梯,也使他相信,一名優(yōu)秀的計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理領(lǐng)域的人才,除了要對(duì)本領(lǐng)域的知識(shí)了然于胸,擁有扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、代碼編程和文章書寫能力外,還必須具備深邃前瞻的洞察力,了解自己的研究領(lǐng)域存在的問題、解決的方法、未來的去路?!斑€有一點(diǎn)不可忽視的因素,就是要具備強(qiáng)大的抗壓力。我認(rèn)為這在很大程度上決定了一個(gè)人的發(fā)展高度?!币虼?,在閱讀之外,為鍛煉身體、保持干勁、排解壓力,章為川已經(jīng)連續(xù)十余年,不論刮風(fēng)下雨,每天跑步5公里。
未來,章為川希望在奮力打造優(yōu)質(zhì)團(tuán)隊(duì)、培育創(chuàng)新人才的同時(shí),繼續(xù)堅(jiān)守原始創(chuàng)新、前沿創(chuàng)新的信念做研究,并尋找更多產(chǎn)學(xué)研合作機(jī)會(huì),讓已有的學(xué)術(shù)成果盡快落地,服務(wù)國(guó)計(jì)民生,為祖國(guó)建設(shè)添磚加瓦,為民族復(fù)興鋪路架橋。