中国古代著名诗人屈原在他的作品《天问》中曾经思考过：“羲和之未扬，若华何光”，在漆黑夜里清晰看见事物的能力，长久以来一直是人类渴望拥有的神奇力量。它不仅对计算机视觉、遥感技术具有重大的意义，也对我们日常生活中超越昼夜之间的二元对立具有深远的影响。西湖大学的鲍芳琳教授在这一领域取得了重大突破，让我们更接近一个可以将夜晚变成白昼的世界。他在高光谱热雷达（热辅助探测和测距）以及夜视方面的开创性研究，于2023年7月26日被《自然》杂志选为封面报道。（《Nature | “高光谱热雷达”革新未来机器视觉》）

人 物 简介

鲍芳琳，出生于浙江省淳安县。2011年他毕业于浙江大学，获得物理学学士学位，2016年获得光学博士学位。2012年，他以交流学者的身份访问了香港中文大学。2019年，他转入普渡大学从事博士后研究工作。2021年，他随后成为了普渡大学的研究助理教授。2024年1月他入职西湖大学，担任助理教授。他提出并实现了高光谱热雷达（热辅助探测和测距），阐明并克服了传统热成像中的“鬼影效应”。高光谱热雷达研究成为《自然》杂志的封面文章，并被《自然》“新闻与观点”栏目、《科学》“新闻”栏目、《自然-光子学》“新闻与观点”栏目报道。

「受访者」：鲍芳琳教授（西湖大学）

「采访者」：王勣（西湖大学）

「原文信息」：Wang, J. Light People: Professor Fanglin Bao and his cover story. Light Sci Appl 13, 115 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01434-0

Q：您能够概述一下自己的科学背景和研究经验吗？您未来的研究目标和志趣是什么？

A：我在浙江大学获得了物理学学士学位和光学博士学位。在攻读博士学位期间，我在香港中文大学交换了半年。在加入西湖大学之前，我在普渡大学从事科学研究。

在我早期的职业生涯中，我对近场量子光学效应很感兴趣，例如卡西米尔效应和超级普朗克效应。卡西米尔效应描述了真空中的量子涨落如何导致电磁相互作用。在经典物理学中，这种相互作用在电荷中性物体之间是不存在的。我专注于探索这些效应及其在新型光学超材料系统中的新特性。其中一个有趣的发现是卡西米尔输运效应，即量子悬浮中的纳米粒子可以由侧向的卡西米尔力推动，形成纳米级的“磁悬浮列车”。

在普渡大学的5年里，我的研究更多地聚焦于经典和量子光学传感，特别是热光源方面，涉及信息理论、基于超表面的新型传感模式，以及用于从热光中提取信息的量子启发算法。我的代表作之一是高光谱热雷达（热辅助探测和测距），它利用了热光子和信息理论，能够在漆黑的夜里清晰地看到事物，就像在明亮的白天一样。正是在研究期间，我探索了人工智能（AI）领域，并获得了宝贵的专业知识。我看到了人工智能如何解决复杂的物理问题，以及物理定律如何预测人工智能的性能。我未来的研究计划都深深根植于这些经验之中。

我一加入西湖大学，就已经准备好成立一个研究小组，专注于热雷达（HADAR）以及人工智能（AI）物理。我们如何利用人工智能来发现新的物理定律？我们如何借助物理学来理解和改进人工智能？由物理学定律设定的人工智能的经典极限和量子极限是什么？这些引人深思的问题将指引团队进入物理学的下一个前沿领域。

鲍芳琳博士在普渡大学祖宾·雅各布教授的研究团队里

Q：请问是什么激发您深入探索科学世界？您认为一位优秀科学家应具备的品质最重要的有哪些？

A：在我上中小学时，不只有户外活动能给我带来乐趣，我的内心还开始萌发了一种渴望。我的脑海里出现了一幅模糊的画面：一位老先生和一块黑板，他仅用一支粉笔就能解释世间的万事万物。我希望有一天我能够成为这样的先生。当我开始大学之旅时，我才意识到由于信息爆炸式增长，一个人完全掌握各个领域的知识是不切实际的。然而，正是科学家们的不懈努力，知识的边界才得以不断拓展。我认为，正是这种信念的力量，才让自己成为了一名年轻的科学家。

话虽如此，科学家的道路从不平坦，有时会遭遇艰难险阻，唯有坚韧不拔的精神才能战胜万难；有时小路曲折崎岖，而对知识的渴望激励我勇往直前。我渴望提出正确的问题，并有更多造福世人的发现。

仰望过去的伟大科学家们，不难发现，面对科学难题，他们都坚持诚实的科学态度。例如，马克斯·普朗克承认，即使在他提出了电磁辐射场能量的量子化之后，他仍无法完全理解“量子”的概念。理查德·费曼也曾说：“永远不要欺骗自己，并记住，你是最容易受骗的人”，你对科学以诚相待，才能发现宇宙的真相。

简而言之，除了科学诚信，科学信念、科学毅力、科学创造力和科学好奇心都是伟大科学家之所以成功和有影响力的原因。

Q： 您的科学研究论文最近被世界顶尖的多学科研究期刊《自然》选为封面文章。您是如何提出这个新颖的想法——高光谱热雷达（热辅助探测和测距）的呢？您在工作中使用了哪些具体的科学技术或方法？您在研究中是如何进行实验设计和数据分析的？您在研究过程中又是如何处理意想不到的结果的？

A：“高光谱热雷达（HADAR）”的工作几乎占据了我在普渡大学度过的整个时光。有趣的是，术语“热辅助探测和测距”和首字母缩写“HADAR”，早在我去普渡大学之前就已经被发明出来了。我搬到美国西拉斐特的第一周，我的导师祖宾·雅各布在他的办公室里，在一张草稿纸上，写下“HADAR”这个词，并向我解释了他心中的一个小项目。或许像大多数人一样，我对这个词感到有点震惊，实话实说，“高光谱热雷达（HADAR）”是一个好名字。

我们当时都不是红外遥感方面的专家。祖宾教授最初的想法是在机器学习的帮助下，利用红外辐射光谱对材料进行分类。我们认为这种新颖的“高光谱热雷达（热辅助探测和测距）”相对于传统的“激光雷达”（光探测和测距装置）、“无线电雷达”（无线电探测和测距装置）或“声呐”（声音导航和测距装置）的优势，就在于它的材料信息。我最初的计划是在3个月内完成这个初创的项目，同时适应新的国外环境。

很快，我发现用红外光谱来分类材料的想法在多年前就被报道过了。我的脑海里浮现出几个问题：“我们应该放弃这个小项目吗？我们可否就添加探测和测距功能来结束这个项目，并转向新的项目？等一等。那我们怎么测距呢？”直到现在，我仍然为自己从一开始就坚持下来并进一步完成了自己的研究而感到高兴。在红外热成像中，“鬼影效应”是一种长期存在的重要的光学现象。众所周知，它导致热成像变得模糊、无纹理，从而无法实现立体视觉。如果我们保持高光谱热雷达被动传感模式并依赖于立体视觉，那么热测距确实是瓶颈所在。这时项目变得越来越有趣，3个月后，我们决定继续这一项研究工作。

经过一些分析，我终于理解了“鬼影效应”，并提出了使用TeX视觉来克服它。TeX视觉从杂乱的热信号中理顺了温度（T）、辐射率（e）和纹理（X）等物理量，并以模拟白天光学成像的方式将它们可视化。总的来说，TeX视觉成为一种夜视技术，借助它，我们可以在完全黑暗的环境下实现与白天一样的明亮的视觉体验，而且通过恢复图像的纹理，基于TeX视觉的高光谱热雷达测距成为可能。TeX视觉是高光谱热雷达最终版本的核心。我们花费了4年的时间，才最终完成这个“小”项目。

那些年，我们在伯克纳米技术中心的讨论，以及所有合作者的贡献，才促成高光谱热雷达现在的形态。

清楚地说，为了从热信号中提取信息，我建立了一个逆向的物理模型，说明温度（T）、辐射率（e）和纹理（X）物理量在信号中发挥的重要作用。为了高效地将热信号分解成温度（T）、辐射率（e）和纹理（X）成分，我进一步开发了TeX-SGD（半全局分解）算法，后来我们又开发了机器学习算法——TeX网络。这些算法生成了我们迄今为止在TeX中获得的所有视觉结果。此外，为了广泛测试我们的理论和算法，我们要建立一个数据库。我与一些计算机图形学专家合作，将红外物理学纳入蒙特卡洛路径追踪中。我们花费了半年多的时间最终建立了世界上第一个长波红外立体和高光谱成像数据库——高光谱热雷达数据库。在我们确立了高光谱热雷达的实际工作原理之后，我们转向揭示其基本极限。我为此推导出了高光谱热雷达探测和高光谱热雷达测距的信息理论极限，并验证了它们在描述人工智能性能方面的有效性。

我们在实验室建造了高光谱热雷达原型-1，并与更多专业人士合作建造了高光谱热雷达原型-2。我们在普渡大学进行现场测试和数据收集的那一周经历，确实让人难以忘怀，不过，我也耗费了一个多月的时间来精心策划和设计现场测试实验。为了展示高光谱热雷达在恢复纹理方面的优势，我们需要找到合适的场景。这些场景包含不同类型的热纹理，其长度尺度必须与传感器分辨率相匹配。我进行了仔细的计算，并对大拉斐特地区内的户外场景进行了勘测，最终将我们的试验地点缩小到正确的位置。

我们的高光谱热雷达理论需要一个手动输入的材料库。这个材料库对于阐明我们的想法非常有用，但在现实世界的实验中进行采集并不容易。如果没有材料库的实验数据，我们将如何实现高光谱热雷达呢？我们已经为解决这个难题，苦苦挣扎了数月之久。最终，我想出了一个从高光谱成像数据本身估计材料库的办法，从而不再需要手动输入。

Tex夜间视觉

图源：《自然》

Q：您的发现可以应用在哪些方面？您能否对其加更广泛的意义进行更加详细的阐述？这项研究还有哪些不足？

A：在高光谱热雷达的研究论文中，我们将它呈现为人工智能机器感知的一种范式转变。自主导航是利用高光谱热雷达夜视功能的首要应用，自动驾驶汽车可以在夜间像白天一样导航。高光谱热雷达也可以用于智能医疗保健领域，用于夜间患者的监护。此外，高光谱热雷达还可以用于野生动物监测，因为大多数野生动物只在夜间活动。然而，高光谱热雷达远不止夜视方面的优势，它可以提供对场景的全面理解。例如，高光谱热雷达能识别材料，精确测量温度，具备超越人类的能力。高光谱热雷达通过获取额外的物理信息，从而促成人工智能机器视觉的革命性进步。

除了这些具体的应用之外，高光谱热雷达最显著的意义在于它激发了我们对白天和黑夜的重新思考。经过数百万年的进化，我们已经完全习惯了白天和黑夜之间的对立存在。但是夜晚和黑暗是不可避免的吗？我们能否将夜晚变成白天？如果借助人工智能，我们每天都能拥有24小时的白昼视觉，那么我们的生活将会是怎样的呢？我们是否仍然需要依赖灯具和路灯呢？我们对高光谱热雷达的开发启发了这一想象。至少，有一件事是我们可以确定的：人工智能没有经历生物进化，也不应该受到日夜轮换的困扰！

高光谱热雷达需要长波红外高光谱成像。在实验操作中，这是极具挑战性的。现有的红外高光谱相机，例如Telops，尺寸庞大得就像微波炉一样，而它们需要大约10秒才能记录下一帧高质量的数据。这些相机由于响应速度慢，无法捕捉到许多日常事件和运动中的普通物体。此外，由于缺乏大量的真实数据，我们的机器学习算法——TeX网络在很大程度上受限于合成数据。为了充分利用机器学习的优势，缩小不同实验场景之间的域差异至关重要。针对这些不足，我们必须寻求解决和改进的方法，这也是我未来研究的一个方向。

高光谱热雷达的现场测试实验正在进行中

Q：研究之余，您有什么业余爱好呢？您是如何平衡工作和生活的？

A：我喜欢徒步旅行和踢足球。和家人一起，我也喜欢打羽毛球或者看电影。在我女儿出生之前，平衡研究工作和生活，从来都不是什么问题。2021年，我的女儿在美国出生，当时正值新冠疫情流行，不幸的是，女儿对鸡蛋和牛奶过敏，对于我和我的妻子来说，在病毒、过敏原的包围之中，特别是找不到日托中心的时候，照顾她是一个巨大的挑战。这也是我们决定回到中国的原因。在中国，我们容易获得医疗保健服务，并且得到家庭的更多支持。随着女儿每天健康成长，我感到更有活力和动力重返正常的研究生活。

父与女在印第安纳波利斯动物园附近

Q：2024年初，您成功加入了中国顶尖研究型高校——西湖大学的理学院。您目前有什么样的体验？

A：早在我去普渡大学从事博士后研究之前，我就听说西湖大学了。那些年来，我目睹了“西湖”如何从一个概念逐渐发展成为一所真正的顶尖级大学。鉴于西湖大学的名望，我很难想象自己也能成为其中的一员，尤其是考虑到自己多学科背景与传统物理学的主流略有偏差。通常情况下，在申请教职时，具有多学科背景的人可能会比更具有专业背景的人，面临更大的困难或阻碍。然而，在我提交入职申请后，我很快发现，自己经历了十分专业的招聘流程。2023年12月15日，我在西湖大学参加面试，并于2024年1月15日加入西湖大学理学院。西湖大学在决策和文书处理方面的高效率令人印象深刻。我也很高兴看到西湖大学对新的跨学科研究方向持开放和友好态度。

在过去的一个月里，我参观了不少实验室，与多位独立研究员进行了交谈，在美丽的校园徜徉。宁静的校园环境里，有如此多的先进设备在运行，这里是前沿研究蓬勃发展的地方，这里给我留下了深刻印象，我对西湖大学以科学家为中心的研究型大学文化深感喜爱。

最近，我还有机会通过讲课与西湖大学的本科生互动。与中国其他大学不同，在西湖大学，所有的授课都是用英语进行的。这些青年人充满活力，对课程内容理解深刻。我很高兴地发现许多学生达到了世界一流大学学生的水平。

西湖大学理学院

Q：在您看来，是什么吸引了国内外的研究人员或学生选择在西湖大学展开学术之旅？

A：西湖大学提供了优越的科学研究平台。它是由一批知名科学家领导，充满竞争力的年轻教职员工组成的。西湖大学大力支持年轻科学家，清除了许多繁琐的障碍，使他们能够专注于科学研究。

西湖大学拥有国际化的背景。它倡导科学创新，呼吁为全球科学与文明作出贡献，这是令人鼓舞的。我相信西湖大学是中国和海外学者学术事业发展的理想平台。

对于渴望学习科学知识，尤其是希望追求学术事业的学生来说，这样强大的学术氛围是有益的。在全球顶尖实验室的国际环境中从事科学研究的经历，对学生的早期职业生涯而言是一项宝贵的资产和资历。

Q：您会向今天年轻的科学学生提供什么样的建议？在培养下一代研究人员时，您会采取什么样的方法，接受什么样的挑战？

A：我会说，请拥有批判精神和独立性思维吧；当你独自从事前所未有的研究时，即使没有人能陪伴你，也请勇敢前行。

我的团队将从事人工智能物理学的研究，那么我想用一个简单的机器学习例子来说明我的教育理念。在机器学习中，主要有两种方法：监督学习和无监督学习。监督学习提供了大量的配套问题和答案，并为采取行动提供了明确的指导，以确保达到标准化。然而，它被认为是最基础的训练方法，无法实现我们真正的智力认知。另一方面，无监督学习在没有使用“标准答案”的情况下进行操作。尽管它需要更高级的训练策略，但它训练出的模型会给人留下深刻的印象。我将采用一种“无监督”的方式进行监督。

鲍芳琳教授及其团队在西湖大学

Q：您是如何及时了解自己领域内的最新进展的呢？您认为像《自然》这样的知名期刊会选用什么样的主题作为封面报道？

A：为了跟上自己领域的最新发展，我阅读论文，参加研讨会，与合作者讨论。我也喜欢阅读大量的书籍。聪明的头脑及其独特的观点，即使是来自不同领域的，也能在我的工作和生活中给予我灵感。然而，一旦在某个领域深耕，我希望专注于自己的想法。

根据我有限的经验，《自然》杂志接受的各种主题的论文都同样有机会成为封面报道。根据《自然》杂志的政策，封面图片的选择更多考虑的是它的审美吸引力，而不是它的科学内容。而在准备封面图片时，我确实获得一些值得分享的浅见。封面图片和封面报道将以最直接、最具包容性的方式吸引广泛的受众，包括非科学领域的普通大众。当读者浏览《自然》或《科学》等顶级期刊以往的封面图片时，他们不禁会欣赏其艺术和科学的精妙结合。另外，读者一眼就会被这些引人入胜的视觉效果所吸引，从而激发他们对文章内容的深入探索。选择一张引人注目的封面图片并不容易，因为科学家们通常生活在“动量空间”中，在这个潜在的世界里，术语是他们的日常语言，可爱的猫咪显得古怪；而普通大众则生活在现实世界中。“动量空间”里的抽象发现与它们在现实世界中的具体影响之间建立联系十分重要。

从这个意义上说，从公众非常感兴趣的话题入手，可以更加轻松地深入探索“动量空间”并带回新的科学发现。除了我们提出的夜视技术，我阅读了近期的封面报道，这些报道涵盖各种各样的话题，例如年轻恒星是如何形成的、曾栖息在中国的三米高巨猿是如何灭绝的，以及野火引发的空气污染有什么样的影响。

高光谱热雷达研究被选为《自然》杂志的封面文章

图源：《自然》

Q：您是如何向科学专业和非科学专业的受众介绍你们的研究成果的呢？

A：过去，我主要通过学术会议传播自己的研究成果，这是科学交流的重要途径。然而，随着研究的进展，为了接触到更广泛的受众，包括科学界之外的人群，我打算建立博客和个人网页等平台。

首先，这些平台为我们提供了机会，让我们以更受读者欢迎的方式来传播自己研究成果。用普通人易于理解的语言来讲述我们的发现，我们可以弥合科学与普通大众之间的鸿沟，让更多人认识和理解我们的工作。其次，博客和个人网页还允许更加动态和交互式的思想交流。它们提供了让读者参与讨论、提出问题和提供见解的空间，从而以更具包容性和合作性的方式促进科学的普及。这种双向交流让我们能够从拥有不同背景和专业知识的个人那里获得宝贵的见解。

参考文献

1. 鲍芳琳 等：“热辅助探测与测距”，《自然》，2023年第619卷，第743-748页（封面文章）。

本期特邀通讯员

王勣：西湖大学理学院翻译、审校，翻译《透视教育时尚》（外语教学与研究出版社）、审校《光子之舞》（中信出版集团）等书。（来源：中国光学微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01434-0