起舞弄“光影”——北京理工大学青年研究员曹杰和他的光电事业

马梦珂

在自动化工厂里，机器臂正有条不紊地进行分割、拣选、包装等一系列复杂操作，动作娴熟、精准；经过一道道工序的货品被装上物流运输车，车内没有司机，向着工厂几十公里外的货运站驶去，按规定路线完成日常配送……当下，机器视觉、智能制造和无人驾驶等悄无声息地渗透到人们的日常生活中。作为普通大众，多数人关注到的是生活效率的提升，殊不知这些智能化背后有一双特殊的“眼睛”日渐锐利。它就是扮演辅助角色的视觉感知系统，更准确一些可以称之为仿生视觉光电智能成像技术。

大视场、高分辨率、实时性，是机器视觉永无止境的追求。通俗来讲，就是让机器看得更广阔、清晰，反应更灵敏，三者也是智能制造、无人驾驶等行业的对光电感知的共性趋势。北京理工大学光电学院副研究员曹杰所在团队顺应时代风向，长久以来研究的正是这件关乎未来智能科技的大事。

看得到的成长收获

与光电成像传感技术打交道9年多，曹杰很少让自己松弛下来。尤其当下，他正处于埋头上进的阶段，身体似乎包裹着用不完的精力。他坦言，自己一周的时间，回家的次数不多，在实验室待到凌晨一两点是家常便饭。不过幸好家人支持，让他有更多宝贵的时间去搞研发、做实验。

曹杰在“金国藩青年学子奖学金”颁奖现场（右为金国藩院士）

采访过程中，他讲话语速稍快，胜在逻辑清晰。“我们先介绍仿生视觉，再讲激光三维成像，最后是两者结合……”围绕专业工作的话匣子一旦打开，曹杰放松不少，偶尔还能开几句玩笑。比如，在课题组里，自己原本是学机电出身，搞光学研究称得上“半路出家”，压根儿没想到日后会继续读博以及选择光电方向。

他本科就读于南京师范大学，大学结束后并没有萌生深造的想法，反倒是工作1年后才考取桂林电子科技大学，攻读硕士学位。回顾那段经历，曹杰表示当时参与了不少项目和科技竞赛，一定程度上提升了自身的工程动手能力。“那会儿参与的项目是以产学研为背景的，直接和公司对接，了解厂家的需求。有了这样的市场调研经历，我之后开展工作的目的性都比较明确。”同时，受导师研究方向影响，他接触到不少光电方面的研究，为日后的“转型”做好了铺垫。

硕士毕业，曹杰在导师的引荐下前往北京理工大学郝群教授课题组攻读博士学位，与仿生视觉、三维成像等研究内容有了深层次的接触。那段时间，他不断取得新成绩，成为多项发明专利的主导者、参与者。对于提前博士毕业，并获得2015年北京市优秀毕业生称号，曹杰直言这让自己引以为傲。当然他更清楚地知道，恩师在其中功不可没。“跟着郝老师做项目的时候，我不仅要负责理论和技术研究，还要带领硕士生研制出实用的原理样机。”因此，曹杰的科研创新与团队协作能力在那几年间得到了迅速的提升。与此同时，他自身还十分注重从工程课题中提炼科学问题，锻炼了独立发现问题和解决问题的能力，夯实了理论研究与工程实践基础。

2015年，曹杰前往新加坡国立大学的先进机器人中心深造。“在那边，我是唯一一个做光电感知研究的，也就是机器人的眼睛。合作导师也给予大力支持，我想做什么就可以做什么，但都得自己动手。”曹杰调侃道。绝对的自由选择权往往会让人松懈，但曹杰没有。他热烈地和组员讨论自己的想法，开展原理验证、设计，购买设备并搭建实验平台，把时间安排得分外紧凑。“当时的课题是基于人眼视觉机理的变焦光电成像系统设计。因为我在博士阶段有了相应的基础，所以入题挺快的。我们差不多每周都会开组会讨论进展，整个团队的氛围还是很拼的。”因此仅2016年，曹杰就以第一作者发表了SCI检索论文5篇。

除了这些书面上的成绩，在曹杰看来，深造期间与同行的交流不仅锻炼了自己的口语表达能力、协作能力，还时不时会碰撞出新的思维火花。例如，他在博士后期间利用新加坡国立大学融洽浓厚的学术讨论优势，与国内外多位学者进行交流，以仿生视觉为基础扩展到“鬼成像”方面的相关研究，成为日后在该方向攻关的铺垫，使其获得了国家航空科学基金、陆航预先研究项目的支持。

1+1＞2的奥秘

学成归国，曹杰没有迟疑，甚至是做好了充足的准备。他带着独立申请到的国家与省部级基金回到北京理工大学，顺理成章地加入恩师郝群教授的课题组。至于研究内容，便包含他在采访中一再提到的仿生视觉。

讲到专业内容，曹杰喜欢用层层递进的方式。自然界生物光学系统为高性能光电成像与探测提供了丰富的借鉴，他所研究的仿生视觉，主要集中在复眼和人眼方面。其中，复眼指类似螳螂、苍蝇等昆虫的视觉器官。它由一群周期结构相同的小眼组成。这些小眼每一个都能够独立感光。“昆虫复眼曲面分布结构让它具有大视场的特点，另外密集的小眼一起工作，大大提升了复眼整体的时间分辨率，使它能够对移动的目标快速做出响应。”这也直接解释了苍蝇等昆虫反应敏捷的原因。

仿人眼则与人体视网膜的视锥细胞有密切联系。据曹杰介绍，该细胞有着非均匀分布的特点，能够在高分辨率观察目标的同时压缩边缘目标视场信息。从功用层面简单来说，复眼由于大视场可以满足看得广阔的需求，人眼自带聚焦能力，看得清、反应快。两者的结合恰好满足了智能制造、无人驾驶、模式识别等行业的视觉感知需求。

曹杰最早是在博士阶段接触到仿生视觉研究，而2016年获批的国家自然科学基金青年基金项目——“基于曲面液体透镜阵列的复合仿生光电成像研究”，让他有机会能够将更多概念性想法付诸实践。一直以来，开展仿生复眼与仿生人眼相关研究的团队不在少数，但将两者结合起来研究的工作少见。从已知的公开文献调研来看，曹杰所在课题组大抵是第一个吃螃蟹的。该项目本身侧重解决大视场、高分辨实时性难以兼顾的问题，面向的应用主要为智能制造与无人驾驶领域。在没有经验可循的情况下，他们为了使得成像系统同时具备复眼的大视场和人眼的变分辨率特点，满足产业需求，设计了空间变分辨率曲面透镜阵列，建立了透镜参数结构模型。同时，他们还在各项研究的基础之上提出了基于复眼和人眼结合的复合仿生二维成像系统，从而提升视觉感知对外界环境反应的综合性能。

跨维度是必不可少的一步

自然界中的信息通常以三维的形式存在，人们传统使用的二维图像传感器，采集信息时丢失了原有的深维度信息。因此对曹杰来说，复合仿生二维成像系统是过渡，不是终点。

激光三维成像，被称成激光雷达。考虑到它主动性强、获取目标信息更丰富、分辨率高且全天候等特征，遥感测量、生物医疗、人工智能等军用和民用领域对其依赖程度逐年增高。“激光三维成像一直是国内外争相研究的热点，能够广泛用于侦查勘测、目标跟踪、智能交通、智慧物流等方面，为国防安全和国家决策的制定提供保障。”曹杰介绍说，相较于二维传感器，三维成像传感器除了数据信息丰富，还具备强大的抗干扰能力，能够适应日益复杂的工作环境，更加符合人工智能对数据精确获取的需求。

然而受到成像速率、分辨率、测距精度的制约，激光三维成像的综合性能亟需提高，特别是国内相关芯片研究的短板问题较为突出，这使得曹杰不得不绕开芯片问题另谋出路。“我们的想法是如何通过体制创新，在现有器件能力的水平上实现弯道超车，综合性能实现提升。”例如，基于复合仿生的方式搭建激光三维成像系统。

在这样想法的牵引下，曹杰提出一种仿生视网膜激光三维成像方法，在理论上完成了变分辨率激光三维成像模型的建立，并通过MOEMS器件实现了高速、高精度环形变分辨率扫描成像等任务。他的成功为激光三维成像同时实现高分辨率与高帧频创造了可能性，相关原理样机研制与功能验证也为主动成像制导、导航、避障以及相关国防领域的快速高分辨主动成像发展提供了新思路。解决完高分辨率与实时成像的兼顾矛盾，曹杰紧跟着面向光三维成像目前在复杂环境下难以快速、准确地获取目标形貌的技术难题，以提出方法、建立模型、数值计算等方式，提升了目标获取精度、形貌获取效率。

这一系列的研究成果得到国内外业内人士的一致认可，相关论文发表在Optics Express、Optics and lasers in Engineering、Applied Optics期刊。曹杰还申请了包括一种变分辨率激光三维成像方法、一种基于仿人眼视觉机理的激光三维成像系统等在内的多项发明专利。除了这些印成铅字的“书面”成绩，曹杰开展的复合仿生成像感知研究成果还直接助力多项大型活动的举办。譬如，在“科技冬奥、智慧北京”创意设计方案竞赛中，他的方案经过初赛、复赛的角逐，从60余家来自企业、院校的方案中脱颖而出，荣获优秀设计方案奖，为冬奥会的护航任务增添了一份科技元素。

团队是科学研究坚实的后盾

从短暂的交谈中不难发现，曹杰对曾经的导师、如今的团队负责人郝群教授有着由衷的敬佩。“我们有时候会聊一些工作。她很多想法是出于比较宏观的角度，考虑得也更加周到。我能从中有很大的收获。”

思维、思想的高度与人的阅历和承担的责任息息相关。郝群教授现任北京理工大学光电学院院长，长期在新型光电成像传感和光电精密测试技术领域躬耕，纵观她的履历，奖项荣誉或者说论文数量，已经不能衡量这位科研工作者为国家科研、科教大业繁荣倾注的心力。

由她领衔的测量与成像研究实验室成立于1998年，拥有20多年的深厚积淀，入选为教育部和北京市重点实验室。从攻关方向来看，实验室以新型光电成像传感器研究为主要目标，细化来看，除了曹杰负责的仿生视觉和激光雷达三维成像，还设置了复杂面型光学元器件干涉测量、无人机动平台成像、机器视觉与动目标测量等多个分支方向。整个队伍分工明确、协作配合，各主要成员依据项目类型包揽不同的工作。并且在曹杰看来，团队合作最可贵的一点是人心齐。“让我印象比较深的是胡摇老师。她很有耐心，对一些能力稍微欠缺的学生，甚至可以手把手教他们写代码。这一点，我很佩服。”此外，队伍里的程阳博士也是曹杰尤为想要感谢的人，“他是我的师弟，和我的研究方向一致，所以我们联合完成了很多有关仿生视觉的工作”。也正是因为和这位师弟的频繁交流，曹杰在博士后期间少了很多独自埋头苦想的烦恼，遇到一些刁钻的科研问题，可以通过两个人的讨论碰撞出新的思维火花。

整个团队积极向上的氛围是科研成果产出的沃土。翻开测量与成像实验室近3年的成绩单，50余项发明专利代表着这个队伍的勤奋与杰出。交流合作与人才培养方面，实验室与加州大学伯克利分校、东京大学、新加坡国立大学、罗彻斯特大学、清华大学、中国兵器工业集团第二〇三、二〇五研究所，中国电子科集团第五十四研究所、大恒光电、华为集团等高校、科研院所及企业保持着密切的合作关系，为各单位机构输送了一批批优秀人才。

除了实验室的大团队，曹杰在2018年7月还组织起一个小“团队”，即光电智能感知学生创新工作室。以激发学生（本硕博）对科技创新为原动力，本着学以精工、学以致用、打破常规、务实求真、团结协作、勇于攀登的科研精神，工作室旨在帮助学生认清自我、拓展和强化专业知识。

实验室大家庭

即便在疫情期间，这个小集体也没有停滞下来。在曹杰的积极组织下，成员们做好职能分工，定期开展学术交流，以光电在线讲堂的形式展示着通过参与项目得来的收获。让学生尽早融入课题工作、尽快拥有主观能动性，曹杰认为，是帮助他们更清晰地理解所学知识及意义的“捷径”。“我们出发点也很简单，就是丰富学生的课外生活，让他们来这里有收获。”曹杰说，在纳新填报表格的环节当中，超过80%的学生对自己的专业能力、发展方向没有明确的认知。那些学生像张白纸一样，空有一腔热血，而他作为过来人想帮他们留下浓墨重彩的一笔。这也是光电智能感知学生创新工作室的初心和坚守。

贵在诚，胜在勤

2019年11月，北京市成果转化平台系列路演正式启动。在北京理工大学国际交流中心，首场以智能制造为主题的宣讲拉开序幕。台上，测量与成像实验室副研究员曹杰作为课题组代表，声情并茂地介绍了“仿生智能三维成像”项目，结合昆虫复眼大视场与人眼视网膜变分辨率优势等，将可用于无人驾驶、工业测量、智能制造等行业的新型复合仿生三维成像感知方法娓娓道来。

曹杰说，路演让他接到了不少橄榄枝，但这些合作他不敢轻易允诺。在他看来，国家与市场需求是科学研究的源头，科研成果能否顺利转化最大的问题是市场需不需要。因此从一开始，他就给自己的研究做了明确的定位，“设计成本过高、周期太长不现实，最好是能利用我们现有的产品配合算法，帮助厂家提升性能。比如说，我们提供一些针对性设计方案，利用编程等打造动态链接库，让技术或系统经过调试可以直接用在厂家的生产线上”。

和成果转化表现出来的务实相同，曹杰对于育人同样讲求一个“实”，诚实。他将诚实的秉性、团队协作能力和个人能力排序，认为相较于突出的个人能力，前两者更为可贵。同时他还表示，教育归根结底是把学生培养成才，一方面要根据学生的个体情况，针对性施教，另一方面要注重尖端人才的特色培养。以光电智能感知学生创新工作室为例，曹杰表达了将学生们培养、打造成精品团队的想法。“‘精品’意味着，一是学生自身能力要过硬，二是合作能力要突出。并且，这些东西不是自己标榜出来的，要靠外界的认可。”在这一点上，工作室的成员们没有辜负他的期待，连续两年在各大创意竞赛、工程大赛中揽获了7个奖项。

对于处在不同阶段的学生，曹杰会一视同仁，也会有意识地因时施教。“首先，无论是本科生还是研究生，我作为老师需要保证他们的心态平稳，把控好他们能够承受的压力程度。”此外，他直言受自己批评最多的是博士生。“因为你学历证书的含金量比别人足，能力就必须跟得上。当然，我更会以身作则，如果有要求他们工作时长，我一定会在这个基础上工作更久。”曹杰还表示，在尽力挖掘学生潜能的同时也给予他们生活上的关怀。他会每年定期组织两到三次的团体活动，也会以项目结题为节点，安排学生休闲放松，给大家紧绷的神经放个假。

面向未来，曹杰内心有着清晰的部署。“原来的话，整体研究侧重仿生视觉和激光三维成像的结合。但其实，这两者也可以分别作为研究主体。仿生视觉偏向于学术方面，激光三维成像有更明显的产业倾向性。未来几年，我肯定要围绕它们继续做下去，应该会融入更多的新元素服务智能制造、无人驾驶等行业。”以努力充当助燃剂，曹杰要促进个人发展更上一层台阶，也要同团队打好配合战，带动测量与成像实验室走向更广阔的天地。