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曹汛:打造识别化工生产隐患的“火眼金睛”

2022/8/11 10:16:39 来源:科技日报

前不久,“超级月亮”又现夜空。当晚,江苏省南京市市民小宇一抬头便被又大又圆的月亮所吸引,赶紧用手机拍下这难得的美景,后发在朋友圈进行分享。

如今,仅用一个小小的手机,就能拍出月球表面环形山的轮廓。但在过去,想拍出这些,需要专业相机和长焦镜头。而这背后,正是计算摄像技术的功劳。

在南京大学就有这样一位钻研计算摄像学的“追光者”——曹汛。他是最年轻的国家技术发明奖一等奖完成人之一;他攻克了动态光谱成像难题,并将研究成果应用于化工生产园区……

初出茅庐便跻身国家级奖项获奖团队

公元前400年,墨子最早发现小孔成像原理并记录了光影成像的过程,从此之后,人类就开始了自己的“追光之旅”。从胶片相机、数码相机、摄像机,到现在随时随地都可以进行拍摄的手机,人类记录图像的技术在不断更新。

计算摄像学是本世纪才兴起的新兴学科,这是一个综合电子、光学、视觉、图形学等多学科知识的交叉研究领域。最初,曹汛也是个“门外汉”,“但是我想做出一个原创的东西,一个别人没有做过的东西”。

传统摄像与计算摄像有什么不同呢?

曹汛举例道,传统摄影、摄像在视场与分辨率上不可兼得,即视场大了分辨率就无法保证。而用计算摄像技术拍摄得到一张全景图片后,可以选择任意一个想要看得更清楚的位置进行放大。

十年前,29岁的曹汛凭借光场拍摄矩阵技术,成为国家技术发明奖一等奖获奖团队中的一员。

利用光场拍摄矩阵技术,可实现人物角色的3D真人数字化。这项技术一诞生,就被用于国内首部真人CG电影中,影视公司用其可以精确、快速地进行三维拍摄和重建,此前只有美国好莱坞掌握这项技术。

同时,这项技术可广泛运用于工业检测、医学成像、文物保护与重建、电子商务等众多领域。

“人类获取的信息,80%左右来自视觉,要全面、精确地捕捉真实世界的视觉信息,就需要我们不断去突破经典成像模型和相机硬件的局限。”曹汛说。

推动光谱成像实现由“静”到“动”的跨越

获奖之后的曹汛,开始钻研处于空白地带的动态高光谱成像技术。

“光谱成像技术应用广泛,比如卫星光谱相机,可以寻找矿产、分析地质、预测粮食产量等。”曹汛说,但是传统光谱成像只能拍摄静态的图像。

经过十多年的努力,曹汛提出棱镜—掩模调制的光谱视频成像方法(PMVIS)并研制了系列光谱相机及装置,推动了光谱成像实现由“静”至“动”的跨越。这项成果被国际权威研究机构称为光谱视频成像的三种代表性技术之一,能被应用于人脸活体检测、环境保护、疫情防控等领域。

为了让这项世界前沿的技术落地转化,曹汛走访了许多行业和部门,跑遍了全国上百个化工生产园区。

我国平均每年会发生许多起因化工气体泄漏造成的安全生产事故,例如江苏响水“3·21”爆炸事故,造成了将近20亿元的直接经济损失和巨大的人员伤亡,而这些事故皆是因化工气体泄漏而引起的。但是,化工气体的泄漏往往是肉眼看不见的,现有的检测设备大多也无能为力,不过利用光谱成像是可以“看到”的。

曹汛带领科研团队针对常见的化工泄漏气体,专门设计了光谱智能预警监控系统,它不仅能够识别不同化工气体,还能追踪其扩散轨迹,实现气体泄漏的快速感知与实时监测,成为识别化工产业生产隐患的“火眼金睛”。

目前,该技术和系统已成功应用于全国10余个省市的大型化工园区和重点企业。

今年初,曹汛团队再传喜报:他们结合南京大学在超结构方面的研究基础,研发出一种超构透镜光场光谱4D成像技术。

“我们正在研究第三代光谱成像技术,可以把光谱相机做得更小、性能更好,甚至可以将其装进手机里。”曹汛说,所有这些技术成果,他都非常愿意拿出来分享给行业用户,推动产业技术进步。 


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