王博文：通过计算，黑夜变“白昼”

2023年6月的一期《焦点访谈》节目中，几位大学生正站在上海外滩指着黄浦江对岸的东方明珠向记者演示：“您看我们离它应该有一两公里远，现在这些高楼的灯已全部熄灭了，看看我们能在黑暗中拍到些什么吧！”说完，他们用一台神秘的设备进行了拍摄。回到实验室，几张刚刚拍完的照片被导入电脑中。

展现在电脑屏幕上的画面令人惊叹，黑夜中的陆家嘴竟如白昼般清晰可见，不仅能看到东方明珠上的任何一个小细节，就连周围楼宇上的字、黄浦江上行船的浮标、甚至一只在黑夜中飞翔的小鸟，都能被敏锐地捕捉到。

在黑暗中依然火眼金睛、明察秋毫，这就是国际上第一台基于计算成像原理的超高清紅外热像仪，它由南京理工大学光学工程专业2019级博士生王博文带领团队历经5年研发而成，这项技术创造了红外成像亿像素的世界纪录。

王博文团队研发的超高清红外热像仪镜头下黑暗中的黄浦江夜景

夜视探测

1900年，德国物理学家马克斯·普朗克提出：任何物体，只要温度在绝对0℃以上，就会不停地向周围发射热辐射。这意味着，即使置身于黑夜之中，物体都无时无刻不散发着光——也就是红外热辐射。

二战期间，一些军事强国利用红外热辐射的原理研制出红外热像仪，将黑夜变成“白昼”，并逐渐编配坦克、舰船、飞机乃至单兵，形成夜间作战的“单向透明”优势。如今，红外夜视仪已成为现代战争中的核心战斗力之一。可以说谁拥有先进的夜视技术，就拥有了战争的“治夜权”。

2018年，王博文考取南京理工大学光学工程专业研究生。作为“国防七子”之一的南京理工大学，始终肩负着“强大国防、繁荣祖国”的使命。学校里名师众多，如我国探索火炸药领域的著名专家王泽山院士，他用60余载书写了火炸药“三冠王”的传奇。如今近90岁高龄的王院士，依然奋战在科研一线。这种对祖国的赤胆忠心，对事业的执着热爱，深深影响了南理工学子。

研究生期间，王博文跟随导师左超，走访了许多光电企业，他们了解到传统光学成像技术面临着一系列发展的瓶颈。红外探测器经历了“点——线——面”的三次技术进步，技术发展使像元（组成数字化影像的最小单元）尺寸越来越小，像素数也越来越高，但传统红外成像、夜视成像装备的成像机理仍是传统“点对点”的光强直接探测。

随着研究的深入，科学家发现，决定成像分辨率的并非是像素数量，而是像元尺寸、光子探测极限与光学衍射极限这三者间的相互制约。通俗来说，缩小器件的像元尺寸，并不一定能提高分辨率。因为一旦像元尺寸缩小，光学探测系统的探测灵敏度也会随之下降，这会导致远距离的拍摄目标在视线中出现的概率降低，如果连目标都捕捉不到，又何谈分辨率呢？

这一瓶颈问题使红外成像在第三代——百万像素的节点上，禁锢了长达20年之久。即便是技术相对先进的美国，目前也只能达到1280这种千万级像素。

因为夜视探测技术的敏感性，具备核心技术的少数国家长期对外实行技术封锁。诸多因素使得打造属于我们自己的“新一代超高清夜视仪”迫在眉睫。

计算光学

物理成像制约着红外探测器的加工制造水平，使其无法实现更高分辨率，想打破传统光学成像技术的桎梏，就必须探索一种新型成像技术，才能使光电成像系统看得更远、更广、更清晰、更智能。

70多年来，几代南理工人扎根夜视成像领域，他们接续奋斗。近年来，信息技术的高速发展为光学成像注入了新的活力，计算成像应运而生，在悄无声息中颠覆了人类与机器感知客观世界的方式。2018年，在导师左超的建议下，王博文开始从计算光学成像入手，探索新一代智能计算光电成像技术的可能性。

传统成像方式是镜头加相机直接成像，所见即所得，想拍到距离更远的图像，就需要改变焦距。王博文想，能不能尝试不改变焦距，就在广域视场下实现高分辨探测，做到所见非所得。这就好比拍摄一面远距离的建筑物，是否可以通过在镜头里加入编码细节，再进行光学调控和数学建模，让人不仅能看到建筑物的外墙，甚至因为物体本身的温度差，利用红外技术，让墙体里的每块砖都能被看到。

在项目开始阶段，王博文决定先验证方案的可行性，再验证器械的可行性。可见光与红外主要是波长的差别，他决定先在可见光系统上建模做等效替代。若技术原理可行，再做红外阶段的验证。王博文打了个形象的比喻，好比要开发一种新型飞行控制系统，在实际应用之前需要验证其可行性，直接进行真实飞行测试可能非常危险且昂贵，这时候可以考虑使用飞行模拟器作为技术原理的等效替代方案进行验证。

但不久后，王博文就发现红外系统仍存在许多与可见光系统不同的技术细节，例如在成像系统中，必须要用到空间光调制器来改变光通量以调试各个光学元件，从而进行数学建模。但目前该仪器在国外对我们属于禁运产品，无法获得，实验一度陷入僵局。

又历经了1年多对计算成像核心机理的探索，王博文惊喜地发现，成像方案并不一定非要用到空间光调制器，可以利用近些年在计算成像领域中经常采用的编码孔径技术。编码孔径技术是在传统的光学孔径中插入一个具有特定结构的掩模板，这种方法能克服传统成像系统的缺陷，可以在不牺牲分辨率的情况下，增加光学系统的通光率。

王博文尝试先将物理光阑（“光阑”是指在光学系统中对光束起着限制作用的实体。在光学系统中将限制光束最多的光阑称为孔径光阑）加入成像系统，然后通过电机的旋转，也能实现等效替代。他所采用的这种方式叫做双缝孔径编码。

通过双缝孔径编码的成像方式，王博文团队有效地突破成像系统固有的物理瓶颈，成功实现了超分辨重建，将成像分辨率提升3倍以上，终于打破红外成像“百万像素”分辨率的禁锢，实现了成像分辨率、探测灵敏度等核心指标的革命性提升。

“夜”行者

反复实验是王博文团队在这5年里做得最多的事。实验对仪器精度要求高，但教学楼挨着马路，旁边不远处还有一条铁路，每次有火车经过时，地面就会出现轻微抖动。没有远距离的实验室，他们就在实验室外的走廊里，设置了50～100米的目标，做替代实验。因为要连续拍图，白天人来人往，只能等到夜深人静，没有了外界的干扰，才有好的实验效果。

实验中常常要分析数据，亿像素的图片让电脑读取速度变得非常缓慢，“跑”一组图经常需要几小时到十几个小时，有时还会在半途“跑崩”。为了尽快得到反馈结果，实验人员要不断查看电脑屏幕，一旦出现问题，及时修改参数。如果人不盯着，问题数据就会被覆盖，等到第二天发现时，实验后续进度就会受到影响。项目组的同学索性每人买了张行军床放在实验室，随时可以“安营扎寨”。王博文笑着说，“熬夜不痛苦，如果今晚做不完实验，那才痛苦呢。”

想看得远，得站到一个制高点。除了教学楼的走廊，还得去视野更开阔的地方，城市里不好找高点进行观测，王博文就和小伙伴带上好几十斤重的设备爬到南京的紫金山顶。回去发现图片处理得不理想，第二天就再上山。几年里，从学校的靶场，到南京玄武湖、紫金山、长江大桥都留下了他们奔忙的身影。

为了推动成果转化，在学校和导师的帮助下，2022年5月，王博文组建了“光影流转”智能计算光电成像团队。他与来自南理工电光、经管、设传等学院的10多名同学共同踏上了追光逐梦的旅途。

2022年，对王博文团队而言，是丰收的一年，他们创造了红外成像“亿像素”的世界纪录。不仅如此，他们还完成了产品体系从处理芯片、机芯模组、系统整机的全方位覆盖，所有核心部件全国产化，实现了“全链路”的自主可控。

特殊的来信

从科研工作者到项目组的大师兄，王博文也经历了个人角色的转变。一天，有位刚刚加入团队的小师弟跑来问他：“师兄，我怎样才能快速发表论文、参加国际会议？”明知学弟是奔着学分而来的，王博文没有多说什么，只是告诉他，没有踏实的付出，很难有好的科研成果。

2023年6月底的一天，王博文收到了一封特殊的來信，写信人是一位来自北京的80多岁老人。老人说自己搞了一辈子的光学研究，从新中国刚成立时起，为了提高边防守卫能力，国家投入了大量人力和经费，研究夜视图像，但一直没得到很大发展。半个月前，他从电视节目中得知王博文团队在远红外热成像技术上达到亿像素后，激动不已。老人表示，如果以后团队在技术和产业落地上遇到困难，他愿尽全力支持。

在团队一周一次的例会上，王博文与大家分享了这封信，在场的每个同学在感动之余，都激发出一种前所未有的使命感。

那天后，王博文发现小师弟变了，他开始扎根领域，每天忘我地做科研，主动加班。有几次王博文清早6点多来到实验室，发现师弟还在忙。现在这位师弟不仅发表了好几篇论文、参加了国际会议，还单独负责了团队的一个研究方向。

经过“光影流转”团队的不懈努力，在创造红外成像亿像素的世界纪录后，他们乘胜追击，又在红外夜视眼、智能眼、千里眼等多个方向进行深入研究。目前，他们的技术被应用于陆军某型号步战车上，为其构建了昼夜无差别“全天时”广视域，让探测距离提高了80%，5～8公里内的活动都逃不出探测仪的法眼。研制的小型化融合夜视仪编配至陆军单兵，让300米外藏匿目标清晰可见，人体目标识别率较前一代产品得到大幅提升。

2022年底，由中国工程院庄松林院士、崔向群院士等组成的国防成果鉴定专家组认为，项目在技术路线上摆脱了前三代红外成像技术对材料器件工艺的束缚，为未来红外成像技术的发展开辟了“信息化”与“智能化”的全新维度，其总体技术达到国际领先水平。

除了深耕国防科研领域，王博文也努力将成果向民用领域转化。在手机端影像方面，团队与国内某知名手机制造公司开展了技术合作，将孔径编码成像方案推广应用至高端手机系列影像模组中，突破了传统手机摄影系统分辨率、信噪比之间的制约关系，实现手机的夜间超高清画质拍摄。

2023年4月9日，第八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛冠军争夺赛在重庆大学举行。来自全球100多个国家和地区的4000多所院校参加了这次比赛。在参赛的340万个项目中，“光影流转”突出重围。王博文以860分的总成绩斩获全国总冠军。

谈及未来计算成像技术的应用场景，王博文坚信，从无人系统到手机摄影等，计算成像将融入人们生活的方方面面。

责任编辑：刁雅琴