山登绝顶我为峰 于起峰院士访谈录

　　测量，门捷列夫称之为「科学的基础」，其中的光测图像技术是一门新兴前沿的交叉学科，已越来越广泛地应用于陆海空天各军事领域，推进中国的军事变革。带着相关问题，笔者南下古城长沙，到达国防科学技术大学于院士的实验室，形象墙上铭刻着伽利略400年前的名言：「有必要测量一切可测事物，并使尚不可测的成为可测」。我们的专访始于这句名言。

　　于起峰 实验力学、光测图像技术专家，中国科学院院士，国防科学技术大学航天科学与工程学院教授、博士生导师。1958年4月生于广东省丰顺县，籍贯山东威海。1981年毕业于西北工业大学飞机系，1984年获国防科学技术大学硕士学位，1995年获德国不来梅大学应用光学研究所博士学位。

　　于院士长期从事船体、路基等大型结构变形和航天与武器发射试验测试、飞机和无人机导航参数测量等大尺度运动摄像测量的技术科学问题研究，发展了摄像测量的理论和方法。在靶场目标三维姿态测量、景象匹配和地形匹配飞行器视觉导航、图像末制导目标检测识别、飞行器着陆着舰视觉引导、光测实验力学干涉条纹图像处理等方面提出了系列创新理论和方法研究成果，成功应用于载人航天和国防领域。曾获国家技术发明二等奖、湖南省自然科学一等奖、首届全军杰出专业技术人才奖和军队科技进步二等奖等多项奖励。

　　独具优势

　　于院士，您是我国著名的光测图像技术专家，请您介绍一下光测图像技术这门学科。

　　于院士（以下简称“于”）：我比较信奉伽利略的“有必要测量一切可测事物，并使尚不可测的成为可测”这一古老的名言，它阐释了测量技术对科技和生产生活的重要性以及测量技术研究者需要不断创新的使命任务。人类进入到现代信息化时代后，传统的各类科学技术和依靠计算机进行计算的众多领域，都对精密测量提出了越来越多、越来越高的要求。

　　近些年来，国际上迅速发展形成了一门新兴交叉学科——摄像测量学，它将传统的摄影测量、光学测量与现代计算机视觉、数字图像处理分析等学科交叉融合而成，也有人将这种摄像测量的技术方法称为光测图像技术。简单地说，光测图像技术就是利用各种光学方法对目标成像进行各种测量。

　　在各种测量手段中，光学测量是精度最高的之一，使用范围也最广泛。如工程上用经纬仪看水平高低；用激光指示器指示目标，通过计算光速传播的时间来得知距离；包括光谱分析也是一种光测的方法。光测图像技术是用摄影、摄像进行测量。在数字图像技术出现以前，都是用照相机拍摄出待测物体，再对照片进行测量。现在借助计算机和数字图像技术，可以用摄影、摄像记录的图像高精度、高自动化地测量测算出目标的姿态、运动变化等参数。

　　与传统测量手段相比，光测图像技术具备哪些优势？

　　于：主要有四点。

　　一是高精度，比如用干涉条纹图像测量，精度可达光波波长级，不到头发丝直径的两百分之一；

　　二是非接触，它通过分析目标图像进行测量，不会对目标的结构特性和运动特性带来任何干扰；

　　三是大视场，就是测量视野大，覆盖范围广；

　　四是适合实时动态测量，能实时监测监控运动目标，获得运动参数，还能为各种飞行器、车辆进行视觉导航。

　　您目前做哪方面的研究？

　　于：我目前研究最多的是基于图像的精密测量和运动测量。具体做法是将图像上每一个可见点的位置、距离、姿态、大小、形状等通过图像测量方法高精度地测量得到。测量一定要讲精度，否则没有意义。

　　光测图像技术的基本原理是什么？存在哪些难点？

　　于：光测图像技术的基本原理是空间景物进入相机后，成像光线全部经过一个焦点，也就是光心，然后落到成像平面上，叫做中心投影。如果知道一个像点，因为形成它的光线会通过光心，像点和光线两点成一线，就确定了视线，目标必然也在视线上。所以通过单相机就能知道景物中哪个点在哪个视线、哪个角度上，这是二维的。由于距离不知道，紧接着需要用另外一个摄像机对同一目标再成像制造一个视线，两个视线在空间相交，目标就被三维定位了，原理就是这么简单。

　　下一步进入到计算机的应用。拍摄一个图像后，目标在哪，要从图像上判别。现在随便一个相机或手机摄像头的像素就是几百万，目标到底在哪个点上未知，如果我们想把目标定位在像素这一级，或者更高精度的亚像素这一级，需要在几百万像素上进行高精度定位。然后如何跟踪运动目标，如何自动地去识别感兴趣目标，这都是图像处理的难点。很重要的一点是，前面说的要多台相机交会，那么这些相机上提取的目标之间对应的匹配关系需要确定。如果只有一个目标一点对一点好办，但当需要同时处理多个目标时匹配关系的确定就很难。如果多目标同时在运动，要想做到全自动、实时的目标匹配有很多难点，而做好匹配之后再交会就容易了。

　　此外，高精度测量也会有很多难点。最重要的是摄像机标定，也就是要精确确定摄像机的参数，这是进行精密图像测量的前提。一是前面说的摄像机光心的准确位置用X、Y、Z三个坐标分量表述，还有摄像机光轴的指向，用3个角度——俯仰、偏航、滚动表述，共6个量，再加上焦距，像元长宽比的比例系数，镜头的畸变，这样就有了10个以上的变量。这些摄像机内外参数都是需要通过标定来高精度求解的，在实际工程中经常会有一些条件限制，给标定带来困难，需要克服。

　　我们跟踪拍摄运动目标时图像经常晃动得很厉害，如何保持图像的稳定性呢？

　　于：现在很多人在研究光测中成像的稳定性问题。在高稳定平台上靠一种稳定陀螺平台，通过陀螺保持方向，在飞机上、无人机上用这种方法跟踪拍摄基本不晃。还有一种是摄像平台会晃动，图像也会跟着晃动，再用软件上把图像的晃动纠正回来。

　　此外，为了拍摄时尽量拍得清晰，可以提高一点帧频和曝光速度。例如100毫秒拍一张图由于晃动会模糊，而一毫秒拍一张图就会比较清晰。有些相机具备防抖功能，一边走路一边拍，通过计算机可以稳像。简单地举个例子：拍摄枝头的一个梨，前一幅图还行，第二幅图像突然朝上晃动，第三幅图朝下晃动，整体晃悠，这就可以通过稳像技术抓住这个梨，把这三幅图中的梨挪在一起，让它在同一位置显示，重新排布它的场景。这既可以后期处理，也可以实时处理。

　　拍摄跟踪目标是连续拍照还是录像？

　　于：如果说运动我们就说摄像——video，跟传统的照相不同。传统的照相方法只能是事后侦察，而现在我们可以在成像的同时实时进行处理，并和武器联动。在近些年的国际光电工程学会的会议上，基本上每年年会都有摄像测量研讨。

　　摄像测量与传统的摄影测量有很多相通之处，但更注重运动与变化。针对摄像机和拍摄物是否运动，我们将其分为四种模式。第一种是“静对静”模式，静态摄像机测量静态目标。第二种是“静对动”，摄像机不动，目标运动。这是最常见的一种，将目标运动参数测量出来。第三种是“动对静”，摄像机运动，目标不动。比如将摄像机放在飞机、无人机、导弹等上面。这时可以识别地面的固定目标，测量它的位置和形状等。这个模式的另一个特点是：除了发现目标和确定目标外，还可以通过观察地面标志物来推算自己的位置，有导航的作用。还有一种模式是“动对动”的测量，在飞机或导弹上安装摄像机，来测量另一个运动的目标，这是最难的模式，非常前沿，有非常重要的军事应用价值。

　　测量一切可测的军事事物

　　目前光测图像技术如何用于测试武器的性能？

　　于：现在陆海空三军的靶场、发射场等，就是测试新型武器装备性能、做武器试验等的基地，需要用到各种各样的试验测试方法，其中的弹道、弹着点、毁伤效应、速度等，都要进行定量化的精密测量。

　　目前靶场进行定量化测量一般使用三大测量手段：遥测，依靠武器内部的测量设备，如GPS、惯导、无线电等的测量数据传回地面靶场；雷达测量，主要优点是测试距离远、全天候；光测，优势是精度高，可比雷达测量高一两个数量级，对雷达的校正和考核都是用光测的方法。所以在三大手段中，光测是非常重要的一部分。

　　我是从传统光测实验力学起步的，一开始是做微小的变形处理。后来转到做靶场目标运动学测量。现在陆海空试验基地级的靶场图像分析设备或者图像判读系统，多是我们提供的装备。

　　靶场主要有哪些光测装备？

　　于：主要是大型光电经纬仪。相对于我们常见的照相机、摄像机，它的口径和焦距非常大、看的距离非常远，并且镜筒指向可以连续变化来跟踪目标，可以看几十千米几百千米甚至更远的目标。这是一种“静对动”模式，因为经纬仪的镜筒虽然动，但经纬仪位置不动。火箭、导弹、炮弹在发射过程中可以用经纬仪跟踪着目标进行连续拍照。以前拍照是用胶片，洗出来后慢慢判读。现在都直接数字化成像了，可以在计算机上快速进行判读处理。对运动目标成像后，首先在图像中定位目标，确定目标在图像内是怎么运动的，再交会测量出目标的三维弹道、姿态等，得到目标的一些实测数据，从而了解关于武器的很多信息，比如炮弹发射得好不好，是否满足要求，哪些地方需要改进等，以便对武器的性能做出评价。

　　几乎所有的常规兵器靶场都会用经纬仪，因为炮弹小、枪弹更小，在上面放GPS、惯导等遥测设备不现实。有时直接把高速摄像机放在枪炮口和落点附近，测量初速、计算落点等。例如曾经有试验场测量子母弹落速、落角、攻角，用了16台高速摄像机进行拍照。可以说，在靶场，光学测量是非常重要、基础和常规的一种测量方式，必须要用到。

　　光测中的精密测量和运动测量在靶场中有哪些应用？

　　于：我们的靶场以前都是把目标作为一个质点，只测弹道、轨迹或速度、加速度，测不出目标飞行过程中的姿态角度。1995年西昌发射卫星失败后，航天部门找到西昌卫星发射中心，请他们一起查找卫星发射过程中的问题，如卫星掉落的方向，掉落时的姿态。西昌卫星发射中心虽然有发射录像，但到底角度是多少，只能估计个大概，得不到准确的数据。

　　我们结合靶场的光测条件和目标特性，发明了三维姿态测量方法和装备，将原来的三自由度测量变成了六自由度测量，包括三个姿态角度，对后续卫星发射过程中的工况和故障分析起到了很大的作用。我们根据国内的需求提出许多不同方法，用多个摄像机或单个摄像机，连续给出目标的轨迹和姿态测量结果，在载人航天发射、在轨运行、回收以及地面科学试验测试方面做了大量精密测量的工作。比如1998年的“零零”逃逸飞行试验，就是在零高度、零速度的状态下，把逃逸飞行器打到空中后再降下来，需要在整个过程中测量逃逸飞行器的姿态。原来测不到这些数据，我们用创新方法做这个测量。当时靶场很多人认为条件不够，不可能测出数据。我们说服他们，制定了完整的测量方案，测量出了它的姿态。当时给我们的评价定位是“国内靶场首次用外测的方法得到了目标的三维姿态信息”。如今，我们研制的系列光测图像判读系统，已经在我国得到广泛应用，成为靶场光测图像判读的主力装备，对提高我军武器装备研制和试验的现代化水平具有重要意义。

　　测量姿态的具体做法是什么？

　　于：国际上姿态测量一般需要在目标上做许多标志，但这没法用在我国靶场上的。因为我们的靶场目标距离比较远，成像不清晰，涂什么标志都看不见，只能模糊看到目标的轮廓。而且我们拿到的数据只有靶场目标的轮廓，我们就通过提取轮廓线，再提取目标的中轴线做中轴线面面交会，或是看目标的面积比、长宽比等，几种方法综合判定目标的姿态。这样只需通过改变图像判读、图像信息的读取分析来获得姿态的信息，不需要改变它的硬件，就是经纬仪等都不动，获得图像以后，把图像处理出来得到以前得不到的姿态信息。

　　除了武器姿态等运动参数测量功能外，光测图像技术的重要功能还有哪些？

　　于：光测有一个很重要的功能是目标识别和检测，在陆海空天各领域，以及包括单兵作战装备等方面应用都很广泛，发展非常迅速。像坦克车上的观瞄系统都可以采用一些常规的光测方法进行目标检测识别，无人机等兵器上的光学吊舱有红外的、激光的、可见光的等传感器，很多功能和应用都可以纳入光测，也离不开光测。其实很多时候，侦察、监视、情报等所用的图像源都是相同的，只是通过图像来分析这些任务时用到的很多技术细节不同，有的人用它作识别，有的人用它作运动检测。我们更多的是在需要高精度测量时用光测图像技术，把目标位置、运动参数搞清楚。光测和战场侦察、目标识别、情报分析获取等是融会贯通的。综合来说，国际上现在发展比较好的有美国、英国等，并且他们都在做单兵使用的图像感知系统，采用红外相机、可见光相机等，把肉眼看不到的战场场景、态势等显示出来，并且能够提供威胁预警等。

　　在航空航天方面，美国国防部正在开发天基视觉监视系统，把相机放在卫星上监测其它卫星。以前卫星的主要任务是对地监测，它则是看周围的卫星。能实现高敏感度，看得更远、更清晰，还能对一些目标进行自动化的识别、测量，对运动目标进行跟踪锁定和测量。这方面的硬件软件都在快速发展。

　　光测图像技术现在是否已开始有超越雷达技术之势？

　　于：摄像机要看目标的话，只知道一个视线，具体坐标我们无从得知。使用雷达则简单些：一个角度一个距离就能定位。因此雷达技术自产生以来得到了迅速发展。而与雷达技术相比，光学的方法还受到一些限制，比如气候等。

　　但是雷达发展到一定阶段后，出现了一些问题，如各种各样反雷达的方法、武器装备层出不穷，如反辐射导弹、诱饵弹、隐身等，导致雷达面临新的难题，大家反过来又觉得还是光测好，因为它是完全被动的，不需要发射电磁波。而且现在的隐身技术主是针对雷达波而言，于是重新把红外探测、光测提出来了，它们又开始变得很重要。如果能不开雷达而用光测发现目标、打击目标是最好的。现在飞机作战经常有这种要求，虽然雷达很好用，但尽量不开，以免暴露自己。

　　目前新一代战机也在采用被动的光测方式进行目标探测，比如对运动目标进行检测跟踪和定位的红外搜索跟踪系统(IRST)、对飞机周围全方位进行态势感知的分布式孔径红外系统(DAS)等，都是通过红外成像来发现定位目标、进行威胁预警等。美国在F-35上应用到这些光测方法，把光测提高到了一个很高的地位来发展。如通过相机在一个运动平台上看另一个运动目标进行定位，就有不同的方法：可以一架飞机、也可以多架飞机组网进行定位，国外最新型的四代机现在都在发展这一功能。光测的方法是连续摄像、高敏感地发现目标，然后测量目标的位置和运动参数等，这个过程时间应该是在几秒内，也就是瞬间的事。这里面就有检测率、虚警率等指标来衡量各个国家所达到的水平、能不能实用。如有些国家红外目标检测虚警率太高就没有实战价值。这方面的数据很敏感，美国也没有对外公布他们的虚警率。

　　与美、德等发达国家相比，我国在这个领域的发展如何？

　　于：国外发展得不错。目前最先进的仍是美国、德国、英国等一些发达国家，他们在测量对象、测量内容等方面已经应用得极为广泛，在测量自动化水平和测量精度方面也都显示出巨大的优势。同时，测量设备越来越简化，也越来越普及。

　　国内主要在硬件方面有差距，关键还是电子芯片、红外元器件等与国外差距较大。但是在应用层面和软件方面差距不明显，因为这个主要是凭借先进的方法和算法，是我国科技工作者的长项，不受元器件水平方面的限制。

　　技术上的进步可以用于军事目的

　　光测在军事上有哪些重要用途？

　　于：光测技术在军事上用途很广泛，很重要的用途之一是对目标测距、跟踪、识别、定位。比如美国的“未来士兵系统”上的头盔观瞄系统，当士兵看到目标后，头盔上的激光测距仪估算目标距离、方向，锁定目标，这原理上是比较简单的。同样道理，还有给武器装上望远镜，用望远镜来观测目标，获知目标的距离和方向，供武器瞄准用。

　　又如把相机安装在卫星、航空器、导弹平台上，像在无人机、侦察机上对地面目标进行观测，看地面上有没有军事目标、部队集结、重要装备等。伊拉克战争中，路边炸弹刚开始时造成美军很大的伤亡，美军不敢轻举妄动。后来美军用无人机对地面不间断的连续拍照，监测地面各种运动变化，做一些事件分析，采用这种方法大大减少了伤亡率。还有用于无人机自主飞行、着陆、回收、对地面拍照巡察，识别自己到了什么地方等。再就是精确制导，将摄像机安放在导弹的导引头上，在图像里自动寻找、识别目标，然后测出目标相对于导弹的距离、方位，纠正偏差，指引武器精确攻击目标。各种导弹武器在增加了图像导引能力以后，打击精度大幅度地提高了。实际上，这种目标识别、跟踪锁定已经不是单纯的测量功能了。

　　光测也用于修正惯导漂移量。像巡航导弹等使用惯导进行导航参数测量的弱点是时间久了之后测量数据会漂移，误差越来越大。这时可用光测的方法进行修正，利用弹载摄像机对地面进行拍照，通过与地面场景基准图进行图像匹配，测量导弹自身的位置和运动参数，修正惯导漂移量。

　　上面这个过程实际上就是光测的一类重要功能——视觉导航。装上摄像机，有了定位、定姿、测速、测向这些功能以后，就可以为载体提供导航信息。对各种飞行器和车辆都可以进行视觉导航。就像我们的眼睛通过看周围的景物识别身体到哪了，指示我们身体到处走，没到过的地方可以打开地图，还有比较简单的看路牌，相当于特征识别，以及识别门牌号，都是视觉导航里最基本和为人熟知的例子。人眼识别景物等很容易，但如果让计算机识别各种景物，实际上是一件很困难的事情，近些年这方面的工作已经得到了不少突破。

　　视觉导航属于哪种光测模式？在军事上有哪些应用？

　　于：它属于“动对静”的测量模式，现在还处于初步阶段，应用并不广，但将来的军事应用前景会非常广，如无人战车、无人机自主导航等，就可以不需要卫星了。除了刚才说的飞行器的视觉导航，现在车辆视觉导航方面正在试用于路况相对比较简单的高速公路上，通过路标、路牌等识别进行无人驾驶。未来可用在无人战车上，在危险战区实现自主驾驶，并且自主进行路径规划。我国“嫦娥”工程月球车也会用摄像机进行视觉导航，辅助它在月面上完成路线规划、对月面的巡视、探测等。

　　前面说的飞行器视觉导航在国际上是前沿的研究工作。

　　实际上利用卫星的对地成像摄像机，也可以对卫星进行定位和导航。它还可以用于探月器的高精度定轨。地月距离很远，通过遥测进行高精度定轨比较困难。用视觉导航的办法，可以将“嫦娥”1、“嫦娥”2的月面图像作为基准，与“嫦娥”3对月面拍摄的图像进行匹配，计算出“嫦娥”3自己的精确位置，实现对它的高精度定轨。

　　视觉导航技术能代替卫星对导弹、飞机等进行导航吗？

　　于：各种导航手段都各有优缺点。前面说了，惯性导航存在时间漂移，需要其它导航方式对它进行修正。现在国外的巡航弹仍主要是使用卫星与惯性组合导航定位。原因是GPS技术已经很成熟，并且导航成本低、精度高。但是卫星导航不是自主的方式，比较容易受到干扰，所以国内外都在研究采用视觉等与惯性组合进行自主导航的技术。视觉与惯性组合实现非卫星的自主导航是飞行器导航的一个重要趋势，尤其对于军事应用非常有意义，可以避开卫星信号被干扰、欺骗等问题，并且除了定位还能够测速、测向、定姿。应该说，视觉导航至少会是卫星导航的一个重要补充。此外，光测方法另一个重要的应用方向是用于无人机、舰载机的着陆着舰引导。飞行器回收和着陆现在大量依靠GPS，但对于军事应用来说不能把卫星作为唯一的依赖手段。我们创新了“飞行器着陆视觉引导”的新体制，并且在无人机自主着陆方面已经成功进行了一些验证，也进行了大量无人机着陆着舰运动参数精密光测的工作。这方面未来更多需要在软件算法方面取得突破，如怎样在地面和海上复杂的环境下实现自动、高精度的飞机运动参数测量等。无人舰载机更是需要实现全自动化着舰，光测引导将发挥更重要的作用，它与卫星引导等并列互补地进行着舰引导是一个重要的趋势。

　　“飞行器着陆视觉引导”体制具体是怎样的？

　　于：飞行器着陆视觉引导分为机载和地基两种。机载视觉助降引导系统通过机载前下视摄像机拍摄地面或舰面的跑道，并对跑道边线或合作标志进行自动识别提取，再计算飞机相对于跑道的位置、姿态、速度、姿态角速度等。地基系统通过设置在跑道两侧的摄像机拍摄降落的飞机，并对飞机着陆灯、机头、翼尖或人工设置的合作标志进行自动识别提取，再解算飞机相对于跑道的位置、姿态、速度、姿态角速度等。这些运动参数测量结果提供给飞机的飞控系统，来控制飞机精确降落。

　　请您展望一下光测图像技术的军事应用前景。

　　于：利用照相机进行测量已有一两百年的历史，不属于很新的学科。随着数字技术的发展，摄影和摄像测量已实现了一个很大的飞跃。现在很多实时、准实时的测量用传统的胶片式摄影是不可能实现的。以前从拍照到冲洗胶片一般需一两天的时间，再加上全部过程都需要人工进行，通过摄影测量做一个地图，可能几个月都做不出来，费时费力。而实现数字化后，处理速度大大加快，并能实时处理，例如放在无人机上实时处理进行视觉导航，这是一个质的飞跃。紧接着就是机载的、弹载的能够实现更多强大功能的嵌入式摄像测量等，都将会得到飞速发展。

　　光测图像技术已成为部队战斗力的重要组成部分，对推进中国军事技术发展将发挥更大作用。可以说，陆海空天各领域都离不开光测图像技术，它对提高我国航空航天和武器试验测试能力发挥着十分重要的作用，如对飞行器和导弹姿态的测量，对火箭和炮弹发射过程运动参数的测量，为各种飞机、坦克、导弹发射车等运动平台提供监测监控和视觉导航等。我会带领团队继续在大尺度运动测量、大型结构变形测量、飞行器视觉导航领域开展研究，瞄准解决军事急需，在军事领域更好地推广应用光测图像技术。

　　期待着以您领军的光测图像技术科研人员不断推陈出新，推进中国的军事变革，提高我军的战斗力！衷心感谢您接受本刊专访！

　　文/本刊记者 何懿

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