王博文：通過計算，黑夜變“白晝”

2023年6月的一期《焦點訪談》節目中，幾位大學生正站在上海外灘指著黃浦江對岸的東方明珠向記者演示：“您看我們離它應該有一兩公里遠，現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！”說完，他們用一臺神秘的設備進行了拍攝?；氐綄嶒炇?，幾張剛剛拍完的照片被導入電腦中。

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

在黑暗中依然火眼金睛、明察秋毫，這就是國際上第一臺基于計算成像原理的超高清紅外熱像儀，它由南京理工大學光學工程專業2019級博士生王博文帶領團隊歷經5年研發而成，這項技術創造了紅外成像億像素的世界紀錄。

王博文團隊研發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

1900年，德國物理學家馬克斯·普朗克提出：任何物體，只要溫度在絕對0℃以上，就會不停地向周圍發射熱輻射。這意味著，即使置身于黑夜之中，物體都無時無刻不散發著光——也就是紅外熱輻射。

二戰期間，一些軍事強國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、飛機乃至單兵，形成夜間作戰的“單向透明”優勢。如今，紅外夜視儀已成為現代戰爭中的核心戰斗力之一?？梢哉f誰擁有先進的夜視技術，就擁有了戰爭的“治夜權”。

2018年，王博文考取南京理工大學光學工程專業研究生。作為“國防七子”之一的南京理工大學，始終肩負著“強大國防、繁榮祖國”的使命。學校里名師眾多，如我國探索火炸藥領域的著名專家王澤山院士，他用60余載書寫了火炸藥“三冠王”的傳奇。如今近90歲高齡的王院士，依然奮戰在科研一線。這種對祖國的赤膽忠心，對事業的執著熱愛，深深影響了南理工學子。

研究生期間，王博文跟隨導師左超，走訪了許多光電企業，他們了解到傳統光學成像技術面臨著一系列發展的瓶頸。紅外探測器經歷了“點——線——面”的三次技術進步，技術發展使像元（組成數字化影像的最小單元）尺寸越來越小，像素數也越來越高，但傳統紅外成像、夜視成像裝備的成像機理仍是傳統“點對點”的光強直接探測。

隨著研究的深入，科學家發現，決定成像分辨率的并非是像素數量，而是像元尺寸、光子探測極限與光學衍射極限這三者間的相互制約。通俗來說，縮小器件的像元尺寸，并不一定能提高分辨率。因為一旦像元尺寸縮小，光學探測系統的探測靈敏度也會隨之下降，這會導致遠距離的拍攝目標在視線中出現的概率降低，如果連目標都捕捉不到，又何談分辨率呢？

這一瓶頸問題使紅外成像在第三代——百萬像素的節點上，禁錮了長達20年之久。即便是技術相對先進的美國，目前也只能達到1280這種千萬級像素。

因為夜視探測技術的敏感性，具備核心技術的少數國家長期對外實行技術封鎖。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。

計算光學

物理成像制約著紅外探測器的加工制造水平，使其無法實現更高分辨率，想打破傳統光學成像技術的桎梏，就必須探索一種新型成像技術，才能使光電成像系統看得更遠、更廣、更清晰、更智能。

70多年來，幾代南理工人扎根夜視成像領域，他們接續奮斗。近年來，信息技術的高速發展為光學成像注入了新的活力，計算成像應運而生，在悄無聲息中顛覆了人類與機器感知客觀世界的方式。2018年，在導師左超的建議下，王博文開始從計算光學成像入手，探索新一代智能計算光電成像技術的可能性。

傳統成像方式是鏡頭加相機直接成像，所見即所得，想拍到距離更遠的圖像，就需要改變焦距。王博文想，能不能嘗試不改變焦距，就在廣域視場下實現高分辨探測，做到所見非所得。這就好比拍攝一面遠距離的建筑物，是否可以通過在鏡頭里加入編碼細節，再進行光學調控和數學建模，讓人不僅能看到建筑物的外墻，甚至因為物體本身的溫度差，利用紅外技術，讓墻體里的每塊磚都能被看到。

在項目開始階段，王博文決定先驗證方案的可行性，再驗證器械的可行性?？梢姽馀c紅外主要是波長的差別，他決定先在可見光系統上建模做等效替代。若技術原理可行，再做紅外階段的驗證。王博文打了個形象的比喻，好比要開發一種新型飛行控制系統，在實際應用之前需要驗證其可行性，直接進行真實飛行測試可能非常危險且昂貴，這時候可以考慮使用飛行模擬器作為技術原理的等效替代方案進行驗證。

但不久后，王博文就發現紅外系統仍存在許多與可見光系統不同的技術細節，例如在成像系統中，必須要用到空間光調制器來改變光通量以調試各個光學元件，從而進行數學建模。但目前該儀器在國外對我們屬于禁運產品，無法獲得，實驗一度陷入僵局。

又歷經了1年多對計算成像核心機理的探索，王博文驚喜地發現，成像方案并不一定非要用到空間光調制器，可以利用近些年在計算成像領域中經常采用的編碼孔徑技術。編碼孔徑技術是在傳統的光學孔徑中插入一個具有特定結構的掩模板，這種方法能克服傳統成像系統的缺陷，可以在不犧牲分辨率的情況下，增加光學系統的通光率。

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

通過雙縫孔徑編碼的成像方式，王博文團隊有效地突破成像系統固有的物理瓶頸，成功實現了超分辨重建，將成像分辨率提升3倍以上，終于打破紅外成像“百萬像素”分辨率的禁錮，實現了成像分辨率、探測靈敏度等核心指標的革命性提升。

“夜”行者

反復實驗是王博文團隊在這5年里做得最多的事。實驗對儀器精度要求高，但教學樓挨著馬路，旁邊不遠處還有一條鐵路，每次有火車經過時，地面就會出現輕微抖動。沒有遠距離的實驗室，他們就在實驗室外的走廊里，設置了50～100米的目標，做替代實驗。因為要連續拍圖，白天人來人往，只能等到夜深人靜，沒有了外界的干擾，才有好的實驗效果。

實驗中常常要分析數據，億像素的圖片讓電腦讀取速度變得非常緩慢，“跑”一組圖經常需要幾小時到十幾個小時，有時還會在半途“跑崩”。為了盡快得到反饋結果，實驗人員要不斷查看電腦屏幕，一旦出現問題，及時修改參數。如果人不盯著，問題數據就會被覆蓋，等到第二天發現時，實驗后續進度就會受到影響。項目組的同學索性每人買了張行軍床放在實驗室，隨時可以“安營扎寨”。王博文笑著說，“熬夜不痛苦，如果今晚做不完實驗，那才痛苦呢?！?/p>

想看得遠，得站到一個制高點。除了教學樓的走廊，還得去視野更開闊的地方，城市里不好找高點進行觀測，王博文就和小伙伴帶上好幾十斤重的設備爬到南京的紫金山頂?；厝グl現圖片處理得不理想，第二天就再上山。幾年里，從學校的靶場，到南京玄武湖、紫金山、長江大橋都留下了他們奔忙的身影。

為了推動成果轉化，在學校和導師的幫助下，2022年5月，王博文組建了“光影流轉”智能計算光電成像團隊。他與來自南理工電光、經管、設傳等學院的10多名同學共同踏上了追光逐夢的旅途。

2022年，對王博文團隊而言，是豐收的一年，他們創造了紅外成像“億像素”的世界紀錄。不僅如此，他們還完成了產品體系從處理芯片、機芯模組、系統整機的全方位覆蓋，所有核心部件全國產化，實現了“全鏈路”的自主可控。

特殊的來信

從科研工作者到項目組的大師兄，王博文也經歷了個人角色的轉變。一天，有位剛剛加入團隊的小師弟跑來問他：“師兄，我怎樣才能快速發表論文、參加國際會議？”明知學弟是奔著學分而來的，王博文沒有多說什么，只是告訴他，沒有踏實的付出，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信，寫信人是一位來自北京的80多歲老人。老人說自己搞了一輩子的光學研究，從新中國剛成立時起，為了提高邊防守衛能力，國家投入了大量人力和經費，研究夜視圖像，但一直沒得到很大發展。半個月前，他從電視節目中得知王博文團隊在遠紅外熱成像技術上達到億像素后，激動不已。老人表示，如果以后團隊在技術和產業落地上遇到困難，他愿盡全力支持。

在團隊一周一次的例會上，王博文與大家分享了這封信，在場的每個同學在感動之余，都激發出一種前所未有的使命感。

那天后，王博文發現小師弟變了，他開始扎根領域，每天忘我地做科研，主動加班。有幾次王博文清早6點多來到實驗室，發現師弟還在忙?，F在這位師弟不僅發表了好幾篇論文、參加了國際會議，還單獨負責了團隊的一個研究方向。

經過“光影流轉”團隊的不懈努力，在創造紅外成像億像素的世界紀錄后，他們乘勝追擊，又在紅外夜視眼、智能眼、千里眼等多個方向進行深入研究。目前，他們的技術被應用于陸軍某型號步戰車上，為其構建了晝夜無差別“全天時”廣視域，讓探測距離提高了80%，5～8公里內的活動都逃不出探測儀的法眼。研制的小型化融合夜視儀編配至陸軍單兵，讓300米外藏匿目標清晰可見，人體目標識別率較前一代產品得到大幅提升。

2022年底，由中國工程院莊松林院士、崔向群院士等組成的國防成果鑒定專家組認為，項目在技術路線上擺脫了前三代紅外成像技術對材料器件工藝的束縛，為未來紅外成像技術的發展開辟了“信息化”與“智能化”的全新維度，其總體技術達到國際領先水平。

除了深耕國防科研領域，王博文也努力將成果向民用領域轉化。在手機端影像方面，團隊與國內某知名手機制造公司開展了技術合作，將孔徑編碼成像方案推廣應用至高端手機系列影像模組中，突破了傳統手機攝影系統分辨率、信噪比之間的制約關系，實現手機的夜間超高清畫質拍攝。

2023年4月9日，第八屆中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽冠軍爭奪賽在重慶大學舉行。來自全球100多個國家和地區的4000多所院校參加了這次比賽。在參賽的340萬個項目中，“光影流轉”突出重圍。王博文以860分的總成績斬獲全國總冠軍。

談及未來計算成像技術的應用場景，王博文堅信，從無人系統到手機攝影等，計算成像將融入人們生活的方方面面。

責任編輯：刁雅琴