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把梦想照进现实

2014年09月19日 08:42 来源:gh阅读次数:

——“全国五一劳动奖章”获得者北京理工大学王涌天教授

摄影、编辑:
王玉伟



    王涌天教授长期在技术光学和虚拟现实领域从事教学和科研工作,主要研究方向包括成像和照明光学系统设计和CAD,新型光学元件,虚拟现实和增强现实技术、系统和应用,医学图像处理与手术导航等方面。1996年入选教育部“跨世纪优秀人才培养计划”,2000年获得国家杰出青年科学基金的资助,2001年受聘为教育部“长江学者奖励计划”特聘教授,2006年成为教育部创新团队带头人,2011年获得全国五一劳动奖章,2012年成为国家973项目首席科学家。现任北京理工大学信息与电子学部主任、校学位评定委员会副主席、光电学院和计算机学院博士生导师。兼任全国政协委员,国务院学位委员会学科评议组成员,科技部863信息技术领域专家组成员,教育部科学技术委员会委员,北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心主任,中国光学学会理事,《北京理工大学学报(自然科学版)》编委会副主任、英文版主编等职。
 


    “神秘仪器”照亮梦想

    王涌天教授十分重视科研成果的推广应用和转化工作。研制的复杂光学系统CAD软件曾向全国50余个单位推广应用。增强现实虚实融合显示和人机交互方面的成果已经广泛应用于文化、科普、娱乐、医疗、军事等诸多领域,其中,圆明园大水法景区的增强现实现场数字重建、纪念红军长征70周年胜利展览上的“雪山·草地”大型互动展项等成功案例在国内外引起巨大反响。与多家企业合作,将自由曲面透视式头盔显示器、多点触控大屏幕交互显示设备、红外光电运动跟踪系统等多项成果进行产品转化。2012年被授予北京市市级职工创新工作室,2013年创建了北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心。

    在圆明园遗址“大水法”和“观水法”景点之间树立的“数字圆明园现实增强系统I型”机器,可以让游客看到圆明园和实时一比一比例进行叠加上去的当年未被破坏前的场景,并实时渲染。在商业试营运期中每天大概都有一两百人去看,游客反响很好。西洋楼部分是根据当时传教士设计的铜版画和当年建筑结构的透视图来绘制模拟而成。金国藩院士、汪成为院士主持的验收专家组评价其为“产生了良好的爱国主义教育效果,取得了显著的社会效益和经济效益,在文物保护、教育科普、文化娱乐、旅游开发等领域具有十分广阔的应用前景。在定点双目立体观察系统、超轻型大视场头盔显示器、增强现实在文物古迹数字重建中的实际应用等方面达到国际领先水平”。 

    “圆明园因为是在旷野而不是室内,所以很难对头盔显示方式实现六自由度实时定位,因为GPS对我们这种应用的定位精度不够。但在室内我们可以放一些标志点,就可以实时地监控。我们需要在头盔上安置摄像机,拍摄真实场景并传送到计算机,通过提取其中的标志点来计算使用者视线的方位,据此对虚拟物体进行渲染并叠加在真实场景图像的正确位置上,再实时地将这个虚实融合的场景传送到头盔上显示。” 

    该实验室还利用互动地面投影技术为《纪念中国工农红军长征胜利70周年》大型主题展览完成了《雪山·草地》大型景观,观众踩在用数码投影机营造的“草地”上,脚下就会泛出涟漪,同时看到雷电交加的滂沱大雨;走在“雪地”上,也会留下清晰的脚印,眼前狂风席卷雪花扑面而来。和“数字圆明园”项目相似,身临其境的感受使观众能够更加真切地体验当年长征路上的艰苦卓绝,被中央军委首长誉为该展览的一个“亮点”。支持多人多点实时交互的桌面投影设备已经应用于上海消防馆、上海电信馆、彭德怀纪念馆、毛泽东遗物馆等等,并将在建设中的中国科学技术馆新馆发挥重要作用。

    团队合作研发屡创佳绩其实,增强现实技术在国内的应用并非首次。同样由北京理工大学光电技术与信息系统实验室研发的“现实海底漫游系统”在广东科技中心大显身手。游客面对只有水草和珊瑚的鱼缸,只要戴上特制的头盔,就可以犹如置身水晶宫,与身边的鱼儿嬉戏玩耍,甚至可以模拟出人向鱼类喂食的场景。

    科技创新富国强民

    王涌天教授长期在技术光学和虚拟现实领域从事教学和科研工作,在光学系统设计和CAD,新型光学元件,虚拟现实和增强现实技术、系统和应用,三维显示原理和设备,医学图像处理与手术导航等方面取得突出成绩和显著进展。先后获得国家科技进步三等奖1项,省部级科技进步二等奖4项、三等奖1项。发表译著2部、教材2部、论文400余篇,编辑SPIE或Springer出版的国际会议论文集11部。申报国际发明专利3项,国家发明专利40余项,其中已经授权16项。多次应邀担任由国际光学委员会(ICO)、国际工程光学学会(SPIE)、中国光学学会(COS)、美国光学学会(OSA)、日本光学学会(OSJ)组织的国际学术会议的大会程序委员会成员、分会主席、特邀报告人。由于“在光学设计、光学仪器、虚拟现实和增强现实等领域的重要贡献”,2008年当选SPIE会士(Fellow),2011年当选英国工程技术学会(IET)会士(Fellow)。

    王涌天教授及其团队成员在国内率先开展了对增强现实的研究,突破了三维环境注册定位算法、透视式融合显示、立体显示图形生成等增强现实关键技术,完成了国内第一个实时增强现实试验系统,目前正在积极研究其在军事、文化、医疗等领域的应用。有关研究成果在2005年12月被金国藩院士主持的鉴定专家组评为“在增强现实关键技术和虚拟现实人机交互技术方面取得的研究成果处于国内领先、国际先进水平”。 

    增强现实技术作为信息领域一个新兴的多学科交叉研究方向,具有虚实结合、三维注册、实时交互的特点,在医疗手术、工业设计、市政规划、军事仿真、教育培训、文化娱乐等领域具有广泛的应用前景。 

    医学是增强现实技术的一个重要应用方向。故此实验室开展了对医学图像特别是血管造影图像的三维重建和增强现实手术导航技术的研究工作。研究了冠脉造影图像的多尺度弹性配准,并提出了一种基于模拟图像的弹性配准客观评价方法,有效地解决了配准减影方法缺乏定量评估标准的难题。研究了冠脉造影图像的智能化自动分割算法,在保证精度的前提下减小了分割过程对人工干预的依赖;研究了X射线血管造影系统的畸变校正和成像几何标定,提出了一种鲁棒的三维重建优化算法,建立了血管截面的精确拟合模型,成功地由多视图造影图像重建出高精度冠脉三维模型。

    王教授用与301医院合作开发的内窥镜举例。“我们利用增强现实技术为医院做了一种叫做‘鼻腔镜’的仪器。如果一个病人,鼻子或脑垂体长了瘤子,都不需要开颅,直接从鼻子先插进去一个镜子,通过镜子医生就可以看到这些墙体的结构,在插进去旋转的手术刀,去割掉息肉和瘤子,过去,医生只能看到腔体里面的结构,看不到腔体后面的器官和血管等等,以往都是凭借经验和感觉。估计手术刀的距离。”

    利用增强现实技术,医生们在手术之前可以先用CT、核磁共振等等扫描技术做成三位的图像,提取出关键部位,叠加到病人的病区。为了方便医务人员观察,王涌天及其团队还做了一个真实的三维显示器,可以看到手术过程中手术刀的位置,离那些器官到底有多远。目前,该仪器精度达到一毫米左右。

    再如飞行模拟器和飞行员的模拟培训。“机舱非常地逼真,飞行员戴上头盔后可以看见自己的腿、手、机舱,但是外面的机场、跑道、天空都是我们叠加上去的,可以保证飞行员在很真实的环境中进行飞行训练。” 

    以身作则服务社会

    王涌天所支持的团队光电技术与信息系统实验室隶属于北京理工大学信息科学技术学院。该实验室长期从事复杂光电系统设计、加工、检测方面教学和科研工作,并在此基础上,开展虚拟现实和增强现实、医学图像处理和手术导航等交叉学科的研究,有关研究成果多次获得国家和省部级奖励。近年来,在王涌天教授的带领下,实验室研究成果丰硕,经费支持充足,队伍团结向上,发展日新月异。 

    实验室现有教授4人,副教授4人,讲师2人,博士后5人,博士生和硕士生70余人,与美国亚利桑那大学、加州大学洛杉矶分校、中佛罗里达大学有关实验室以及国内许多著名研究单位、企业保持着密切的合作关系,并在广东省中山市领导的支持下在该市建立了光电信息技术研究中心。目前,实验室在新型光电系统、自由曲面光学、三维显示设备、人机交互技术、医学图像处理、虚拟现实与增强现实系统及其应用等领域承担着多项国家863目标导向及探索导向项目、国家自然科学基金仪器专项和面上项目、973项目课题、国防预研项目、国际合作项目、省市科技计划项目和横向科研项目。 

    在教学方面,近年来指导博士后15人、博士生50余人、硕士生60余人。指导的学生多次获得国际奖励,毕业的博士生中,程雪岷获得2006年全国优秀博士学位论文,林倞获得2011年全国优秀博士学位论文提名,程德文获得2013年北京市优秀博士学位论文。先后2次被评为北京市教育创新标兵,获得北京市教育教学成果奖1项。注重科普工作,作为主任编委参编《现代科学知识热点问题450例》、作为光学与光电子学编写组组长参编《10000个科学难题——信息科学卷》。

    在社会工作方面,认真履行全国政协委员的职责,积极参政议政。结合自己的工作实际,先后在政协科技界提出《改进科研项目经费管理方法》、《加大政府科技投入,促进产学研合作,推动产业升级》、《对国家资助项目研究成果加强国际知识产权保护》、《建立国家级共用科技评审专家库》、《加强高等院校教师队伍建设》、《办好国内科技期刊》等提案。三次在科技界联组会上做主题发言,当面向刘延东国务委员、万刚部长等国家和部委领导人建言献策。相关意见和建议多次被《人民政协报》、《光明日报》、《科技日报》、《中国工业报》、《中国电子报》、《北京电视台》等主流媒体报道。

(审核:王建光)