山西省重点实验室巡礼：机器视觉与虚拟现实山西省重点实验室
创新引领筑牢高质量发展之基
编者按
科技决定山西未来发展，创新引领三晋转型升级。作为科技创新体系的重要组成部分，重点实验室已成为孕育重大原始创新、助力高质量发展的重要科技力量。近年来，按照省委省政府战略部署，山西围绕传统产业转型升级和战略性新兴产业集群发展，不断加大扶持力度和建设水平，涌现出一批引领前沿、学科交叉、综合集成、国内外有影响的重点实验室，为我省2030年基本实现转型、2035年基本实现现代化目标发挥了有力的支撑作用。
为深入实施科教兴省、人才强省、创新驱动发展战略，展现山西发展的新领域、新动能、新优势，本报与省科技厅联合推出“山西省重点实验室巡礼”系列报道。“山西省重点实验室巡礼”将视角对准全省百余家重点实验室，用生动的笔墨、精彩的镜头，多角度、近距离记录实验室建设发展成效，多形式、立体化讲述富有成效的创新案例和鲜为人知的创新故事，多渠道、宽领域展示我省重点实验室近年来取得的丰硕成果。系列报道将努力把对科技创新的礼赞，以有高度、有深度、有温度的方式呈现出来，为奋力推进中国式现代化山西实践作出新的更大贡献。
机器视觉与虚拟现实山西省重点实验室
打破虚与实的边界 推动产业数字化建设
为“VR”产业提供技术创新
虚拟现实的英文缩写为“VR”，通过它能够实现人与自然之间和谐交互，扩大人对信息空间的感知通道，提高人类对跨越时空事物和复杂动态事件的感知能力，同时把计算机应用提高到一个崭新的水平，是实现各行业数字化转型的关键支撑技术。
习近平总书记在致2018世界VR产业大会的贺信中指出，当前新一轮科技革命和产业变革正在蓬勃发展，虚拟现实技术逐步走向成熟，拓展了人类感知能力，改变了产品形态和服务模式。人工智能发展应用将有力提高经济社会发展智能化水平，有效增强公共服务和城市管理能力。习近平总书记的贺信体现了党中央、国务院对虚拟现实产业发展大势有着高度敏锐性和深刻洞察力，推动了虚拟现实产业在国内的发展步伐，为虚拟现实产业未来发展指明了方向。
山西作为能源重化工基地和文物旅游大省，各行业智能制造、煤矿电厂无人预警、破损文物修复重建、在线游览各景点、战场虚拟演练等领域对虚拟现实技术有着巨大需求，我省因此前瞻性地建立了实验室。实验室由中北大学联合太原重工股份有限公司、北方自动控制技术研究所，依托国家重点实验室、山西省工程研究中心、一级博士学科及博士后流动站、一级硕士学科、国家级一流建设专业、省级教学示范中心等优势资源，为机器视觉和虚拟现实发展提供技术创新，全方位推动我省产业数字化建设。
针对行业痛点开展研究
很多人认为虚拟现实是一个新兴技术，毕竟“VR”火热是近几年才发生的事情。实际上早在上世纪五六十年代，最原始的虚拟现实设备已经出现，但是受到设备及虚拟场景绘制等方面制约，发展十分缓慢。
为了打破技术桎梏，推进行业发展，实验室成立后就瞄准行业痛点、难点问题展开研究。针对传统交互设备携带不方便、使用限制多等问题，依据人与现实世界交互的方式，研究手势、体势、眼球和头部的跟踪识别以及机器人操控等交互方法，为机器与真实场景或人与虚拟场景的交互提出自然交互的新技术、新方法。
通过多年积累，实验室开发了三维点云预处理系统平台、研发了文化主题园区展示系统，初步研制了融手势识别、眼动追踪为一体的头盔样机。获批了国家科技支撑计划项目“文化主题园三维实体虚拟显示关键技术研究”，弘扬了我国传统文化。在山西省重点研发计划项目“文物数字化保护”中，实验室利用“VR”技术，帮助文物修复人员实现了中小型文物的重建及碎片拼接。
实验室还针对我省工业产业需求，为太重集团研发了＊＊系统、炼钢车间远程操控平台、焦炉成套设备三维动画展示系统。为山西瑞阳智能供热技术研究中心有限公司开发了智慧供热综合管理信息平台等，通过将虚拟现实与产业深度融合，释放传统行业领域的创新活力，为推动“VR”在各行各业应用落地，促进我省数字经济高质量发展等方面做出了积极贡献。
推动虚拟现实由“虚”向“实”
在着力解决“VR”产业发展难题的同时，实验室也站在更高的视角，开展战略性、前瞻性、基础性科技创新，为虚拟现实未来发展搭框架、夯基础。期间实验室通过构建视觉数据处理理论及方法，以黎曼几何和离散微分几何为理论基础，研究面向复杂场景的视觉数据处理理论及方法，重点开展多模态视觉数据融合、三维几何拓扑表示与重建、三维视觉信息处理方法、复杂场景语义理解等研究内容，形成具有指导意义和工程应用价值的三维视觉信息处理理论体系，为机器视觉与虚拟现实提供理论与技术支撑。
为了更加快速便捷地绘制虚拟场景，实验室针对现有方法面对三维复杂场景实时绘制与展示时算法复杂度高、真实感绘制效果差、计算代价高等问题，重点研究并行绘制方法、多尺度LOD表示与绘制、精细化真实感绘制与展示等问题，提出新技术、新方法，突破制约虚拟现实产业化的瓶颈技术，为虚拟现实、增强现实、混合现实在智能制造、虚拟演练、数字化文旅等应用提供理论技术支撑。
针对目前视觉开发平台通用性差、智能性低和并行算力弱等问题，通过分析机器视觉应用领域的共性问题，设计机器视觉算法标准化模块，将高速的并行处理单元与视觉处理算法相结合，融合AI技术，研发集成、高效、通用和模块化的视觉数据处理平台，突破我国视觉数据处理软件缺少自主可控平台的瓶颈，解决软件开发周期长和对技术研发人员要求高的问题，促进机器视觉及其交叉领域相关理论与应用的发展。相关研究进一步拉近了理论与现实应用之间的距离，为虚拟现实更快融入人们生活铺平了道路。
深化产业合作赋能发展
通过不懈努力，近五年来实验室逐渐发展成为一个集基础研究、平台开发、成果推广为一体的开放式基地。先后承担了国家级自然科学基金面上项目3项、国家级青年科学基金项目3项、国家科技部科技支撑项目1项，承担省部级项目28项、企业横向课题42项。实验室授权发明专利28项，登记软件著作权72项，实现专利成果转化5项，发表高水平学术论文200余篇，其中SCI收录60余篇，山西省优秀教学成果一等奖1项，山西省科技进步二等奖1项，山西省高校科技进步二等奖1项。相关技术成果为我省在虚拟现实技术发展及数字产业化等方面的发展做出了积极贡献。
实验室与英国赫尔大学李庆德教授联合研究“基于Kinect的虚拟手实时三维重建与交互技术研究”和“曲线曲面重建”。与英国华威大学何黎刚教授联合研究“并行计算、算法优化”，取得了突破性成果。另外，实验室与山西百信信息技术有限公司联合建立“信创产业研究创新平台”，与西安奇维科技有限公司联合建立“3D数据可视化工程研究中心”，与山西微农天下科技有限公司联合建立“微农云智慧农机数据应用研究所”。通过这种跨学科、大协同创新攻关组织模式，提升视觉数据处理技术水平，全方位推动山西产业数字化。
实验室负责人韩燮教授表示：“未来实验室将继续围绕中部城市群高质量发展目标和‘一群两区三圈’城市区域发展新布局，打造数字化智慧城市，提升公共服务数字化水平，推动文化教育、医疗健康、文物古迹、会展旅游、体育健身等领域发展，数字化供给和网络化服务，以数智赋能山西三次产业跨越发展。”