赵永强:从偏振光谱中追寻科研灵感
2013-06-26 17:10:56   来源:   评论:0 点击:


2011年10月,国防工业出版社出版了一部新书——《成像偏振光谱遥感及应用》。这是国内第一部全面系统介绍成像偏振光谱理论及应用的专著,为成像偏振光谱系统的设计、目标涂层偏振光谱学特性建模分析、基于成像偏振光谱技术的伪装和隐身目标检测分类等提供了科学的理论知识、翔实的实验数据以及实用的辨别方法。
这部专著的其中一位作者,就是西北工业大学自动化学院副教授赵永强。
 
忙碌,并满足着
西北工业大学,是赵永强的母校。
自1994年起,他就与其结下了不解之缘,之后的十年,从学士到博士,他在这里打下了坚实的基础。2001年7月,获得硕士学位后,他开始在母校执教。期间,为了不断开阔科研视野,完善科研能力,赵永强把握住各种机会“充电”。2005~2006年,他以客座研究员身份在中国科学院遥感科学国家重点实验室开展研究;2007年和2009年,他先后以客座研究员和研究助理的身份,两次赴香港理工大学计算机系,曾与张磊教授就图像超分辨重构、稀疏表示等研究展开合作;2007~2008年,他前往加拿大麦克马斯特大学电子与计算机工程(ECE)系进行博士后研究,在多光谱图像自动分析方面,与武晓林教授展开了合作;2008~2009年,他在美国坦普大学ECE系担任访问助理教授,与S.G.Kong教授在生物多波段视觉方面进行了探索。
多年以来,赵永强一步一个脚印地走过,主持或参与国家自然科学基金、留学回国人员科研启动基金等多项重要项目,在成像偏振遥感、成像光谱遥感、多波段偏振视觉、图像处理、信息融合等领域开展了大量的研究工作。他本人也身兼数职,担任着IEEE会员、陕西省自动化协会会员、中国空间科学学会会员、国家自然科学基金函评专家、国家科学技术学术著作出版基金函评专家、教育部留学回国人员科研启动基金函评专家、第30届中国控制会议 (CCC'2011)程序委员会委员。此外,他还受邀成为《IEEE图像处理杂志》《电子学报》等20余种国际、国内学术期刊以及CCC'2012等国际会议的审稿人。长年下来,他的生活,十分忙碌,但他反而因这种充实而感到满足。
目前,在国家自然科学基金项目的支持下,他主持的生物多波段偏振视觉研究正在开展。在该项目中,赵永强将以偏振光谱图像的空间、偏振、光谱维的联合稀疏表为方法,建立高分辨偏振光谱图像重构方法体系。而此前,他的不少成果也可圈可点。
勇于创新,行走前沿
近年来,高分辨偏振光谱信息的获取、相关特性数据库的建立以及新型成像机理研究,已经成为国内外学者的研究热点之一。在这些研究上,赵永强也做了许多努力。
通过研究偏振光谱成像机理,赵永强研制了偏振光谱成像原理样机,并在国内首次构建了10万组图像的典型目标和背景偏振光谱图像数据库,为偏振光谱遥感应用的开展奠定基础,部分数据已在网络上公开。针对偏振光谱图像获取中存在的精度差等问题,他通过将图像融合与滤波引入到成像阶段,提出了基于多尺度分析的偏振参数图像计算方法,有效解决了平台运动和传感器抖动造成的偏振误差,同时使计算得到的偏振参数图像保留了偏振分量图像的空间分辨率。而结合图像稀疏表示的优势,他通过引入光谱和偏振正则项,建立了偏振光谱图像超分辨率重构方法,以解决高分辨偏振光谱图像的获取问题。此外,他还提出了利用海洋生物的视觉感知原理研究新型偏振光谱成像机制。相关成果发表和收录在《IEEE地学与遥感汇刊》等著名期刊上。
在偏振光谱子空间分析及综合利用领域,赵永强通过研究目标的偏振散射机理,建立了目标理化特性与偏振光谱信息之间的关系以及不同波段偏振特征之间的关联性和差异性;通过分析偏振光谱图像在不同维度的特点,在子空间分析框架下研究多波段图像的信息提取以及理解等问题,首次构建了一种全新的子空间分析方法,以便提高偏振、光谱、空间信息的综合利用效率;利用偏振光谱图像之间的波段相关性,以及不同波段偏振信息的相似性,结合图像的空间、光谱以及偏振特征的相关性,提出了基于“分治算法”的偏振光谱图像分波段融合方法,有效提高了图像分类的准确性和鲁棒性;通过分析不同偏振参数在描述导体、绝缘体之间的差异以及偏振参数与目标表面粗糙度之间的关系,建立了一种基于线偏振度调制和IHS颜色模型的光谱和偏振图像伪彩色融合方法,以达到有效辨别人造物和自然背景的目标。相关研究成果发表在《IEEE地学与遥感汇刊》等学术期刊上。

瞄准实践,拓展应用
在开展研究的过程中,赵永强想的最多的,就是如何将研究落实到应用中。
经过细致地调研,他认为,如果将偏振光谱成像及分析的成果应用到医学领域,可以利用组织病变不同阶段具有不同的偏振散射特性的特点,来解决上皮组织早期病变很难实现实时非侵入监测的问题。
为此,通过分析组织的偏振光谱信息,他首次提出基于偏振光谱的病理特征辨识方法,有效地提高了人体特征辨识效率,并用于上皮组织病变的早期检测。为了提高上皮组织早期病变检测的准确性,他又将偏振光谱成像的相关研究成果应用到上皮组织病理的检测、分析方面,以研究不同时期病变的偏振光谱差异。同时,他还利用多光谱图像所提供的丰富信息,结合目标分割识别的应用,在图框架下提出图像联合分割和识别算法,以最终的识别结果来判断分割效果,整体提升分割和识别性能。相关研究成果发表在《应用光学》等学术期刊上。其中,他的《高光谱图像超分辨率的稀疏表示和光谱建模》一文,于2011年10月被发表在《欧洲信号处理协会信号处理进展》杂志上。该文在2011年度最受欢迎的文章中排名19,不到3个月,下载次数即达到649次。
经过长期的积累,他的研究得到了国内同行的认可。2010年10月,他与西安交通大学医学院第一附属医院陈明伟教授合作,展开了基于偏振光谱成像的癌变组织早期检测方面的研究。此外,在仿生多波段偏振成像仪方面,他还与中科院西安光学精密机械研究所、昆明211研究所进行过合作。
民用之外,赵永强的成果在军事及安全领域也有所应用。作为主要完成人,他曾与中航611所、613所合作,将多波段偏振图像处理机制与现代估计理论相结合,有效提高了非合作目标的检测性能。该项研究被授予2010年陕西省科技进步二等奖。此外,通过与沈阳信息技术研究所合作,他研制出国内首台偏光检测仪,可以对常规载体上隐藏的偏振信息能进行快速、准确地检测、分析,该检测仪已获国家安全部门鉴定认可,后期将在国内安全部门进行推广应用。
经过实践的检验,他的研究工作也得到了一些国际、国内著名学者的公开评价。国家“863计划”航天领域首席科学家相里斌研究员认为,赵永强研制的偏振光谱成像原理样机,是国际上基于液晶调变式滤光片(LCTF)的三种典型偏振光谱成像仪之一,在国内则是唯一的。他们“将LCTF与可见光相机结合研制了ISP”,使西北工业大学在该类研究中一跃成为与日本国家宇航实验室、意大利并举的重要科研单位。加拿大学者George A. Lampropoulos等人也认为,赵永强的研究“提出一个有效的偏振图像融合方法,通过利用目标和背景的偏振散射特性以便提高信杂比”。而对于赵永强来说,如今这些并不重要,每一个结束都是另一个开端,他的前路,还有许多未知有待挖掘。

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