物理与光电工程学院钟金钢教授、张子邦副教授团队的高速转动物体成像最新研究成果被多家国际学术机构和媒体新闻报道
近日，我校物理与光电工程学院光电工程系的钟金钢教授、张子邦副教授智能计算成像团队，在高速转动物体成像技术的研究上，继2024年获得中国光学工程学会“三年计算成像成果展提名成果”之后，其最新研究进展获美国光学学会（Optica，原OSA）等多家国际学术机构和新闻媒体关注报道。美国光学学会作为全球光学领域核心学术平台，平均每月从全球众多最新发表的研究成果中仅精选2-3项进行新闻报道。据悉，该研究成果是我校第一篇入选美国光学学会新闻发布报道的文章。
图1. 美国光学学会在官网（www.optica.org）首页刊登本工作的新闻报道
钟金钢教授团队的最新研究进展以“Single-pixel real-time monitoring system for a high-speed rotating object”为题，发表在美国光学学会期刊Optics Letters，我校硕士研究生龙思成为该论文的第一作者，张子邦副教授为通讯作者，广东技术师范大学姚曼虹博士为共同通讯作者。该最新研究成果提出的高速转动物体实时传感和成像的技术，在实用化方面取得了突破性进展，有望为诸如航空发动机等高速转动物体的实时长时间监测提供新方法。
图1. 论文首页及美国光学学会官网上新闻报道的截图
张子邦副教授代表团队接受了美国光学学会的书面采访，对该技术的原理、潜在应用和未来发展方向进行了详细介绍。美国光学学会于2025年5月15日在其官网刊登了以“Researchers virtually freeze time to capture clear images of fast-spinning objects”为题的新闻报道。随后，美国科学促进会（AAAS）的EurekAlert!、英国机械工程师协会（IMechE）等多家国际学术机构和科技新闻媒体对该工作进行了跟进新闻报道，给以了非常高的评价，例如有报道评价“In a groundbreaking advancement poised to revolutionize the monitoring of high-speed machinery, researchers at Jinan University in China have unveiled an innovative real-time imaging system that captures crystal-clear images of fast-spinning objects over extended periods. This technology promises to transform how turbines, jet engines, and a myriad of rotating components are inspected, offering unparalleled precision in detecting early signs of wear and damage without interrupting operation. The ability to obtain continuous, high-quality images from objects rotating at tens of thousands of revolutions per minute opens new frontiers in predictive maintenance and safety assurance across industries.”（“中国暨南大学的研究人员发布了一种创新的实时成像系统，可以长时间捕捉快速旋转物体的清晰图像，这是一项突破性的进展，有望彻底改变高速机械的监测。这项技术有望改变涡轮机、喷气发动机和无数旋转部件的检查方式，在不中断运行的情况下，在检测磨损和损坏的早期迹象方面提供无与伦比的精度。从每分钟旋转数万转的物体中获得连续、高质量图像的能力，为各行业的预测性维护和安全保障开辟了新的领域。”）
图3. 喷气发动机模型（平均转速2179.67 转/分）与CPU风扇（平均转速14682.51 转/分）的实时成像结果。
图4. 本方法对高速转动的飞机引擎模型进行实时成像的实验过程
图5. 本方法中提出的同步主动编码照明的动画演示
论文链接：
https://opg.optica.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-50-10-3449
OSA 美国光学学会新闻报道链接：
（图、文：张子邦）
附美国光学学会的新闻报道原文的中文翻译：
实时成像技术“冻结时间”以捕捉高速旋转物体清晰图像
该技术可以对涡轮机、航空发动机叶片等部件进行持续监测，有助于及早发现磨损或损坏的早期迹象
华盛顿——研究人员近日成功开发出一套实时成像系统，能够长时间捕捉高速旋转物体的清晰图像。对如发电厂涡轮叶片、航空发动机风扇叶片等旋转部件进行实时监测，对于发现早期损坏迹象（如磨损或裂纹）至关重要，有助于预防严重故障并降低维护需求。
“对高速旋转物体进行成像是一项挑战，因旋转速度之快易导致图像出现运动模糊或噪点，”研究团队成员、中国暨南大学张子邦副教授表示，“尽管高速摄像机可部分解决此问题，但其成本高昂且难以长时间监测。我们的方法通过利用物体运动的周期性特征实现‘时间冻结’，成功攻克了这一难题。”
在Optica Publishing Group的Optics Letters期刊上，研究团队描述了这项基于单像素探测器的新型成像系统。实验显示，该系统可清晰捕捉每分钟约14,700转的高速旋转物体图像。
“该系统具有在不停止设备运行的情况下，持续监测高速金属切削与研磨工具随时间产生的磨损或裂纹的能力，显著提升安全性并延长设备寿命，”张子邦强调，“未来该技术可集成至智能制造系统、飞机维护平台，甚至风扇、空调、硬盘驱动器、汽车发动机和搅拌机等家用设备，赋予这些装置更智能的安全保障能力。”
“冻结时间”的科技奥秘
对于传统的成像技术来说，对快速旋转物体进行成像不是一件容易的事情，因为旋转会导致严重的运动模糊。尽管缩短曝光时间可缓解模糊，但光子捕获量减少会引发图像噪点。而高速摄像机虽能捕捉高速目标，却存在成本过高与无法长时间持续监测的瓶颈。
作为在线发动机监测光学系统研发项目的重要突破，该团队创新性结合结构化照明与单像素探测，成功解决了高速旋转物体成像的核心挑战。该成像方法通过向场景投影结构化图案，并利用单像素探测器捕捉产生的光强变化，由计算机重建高精度图像，无需传统相机传感器。相较于传统阵列式传感器，单像素探测器具有灵敏度高、动态范围广、响应速度快等优势，特别适用于高速旋转物体成像。
“本方法的核心在于同步——通过使投射光图案与目标运动保持同步，相当于让旋转物体相对‘静止’，”张子邦解释道，“这种同步照明将动态成像转化为静态成像问题。”
该成像系统通过检测旋转物体的周期性运动以捕捉清晰图像。其原理如同画家分阶段绘制日出场景：尽管太阳持续移动，但通过设定与日出同步的“闹钟”，每次仅绘制场景局部，最终汇聚成完整画面。
“旋转物体成像”
实验装置采用高速投影仪（数字微镜器件，支持高达22,000赫兹的投影速度）向旋转物体投影一系列的光图案，单像素探测器获取每个图案投影的反射光测量值。每当物体完成一周旋转，投影仪即切换至下一图案。
为实现同步投影，研究人员将激光对准旋转物体的某片叶片，则会产生背向散射脉冲，当脉冲数与叶片数匹配时触发投影仪切换图案——如同“闹钟响起”，仅使用一个单像素探测器即可完成旋转物体的清晰成像。
为了演示该系统，研究人员展示了它可以重建一个直径11厘米的模型喷气发动机的实时高质量静态图像，该模型喷气发动机以大约2170转/分的速度旋转，CPU冷却风扇以每分钟约14700转的速度旋转。研究人员表示，这种方法不需要事先了解物体，也可以用于对旋转速度不稳定的物体进行成像。
为验证该系统，研究团队通过对直径11厘米的模型航空发动机（转速约2170转/分钟）与CPU散热风扇（转速约14,700转/分钟）进行实时成像实验，成功重建了实时高清静态图像。值得一提的是，该方法无需预先知道物体信息，还可应用于转速不稳定的动态目标成像。
接下来，研究人员计划提高系统的可移植性，使其更容易集成到真正的航空发动机中。