研發(fā)高速攝像破美日技術(shù)壟斷 助力火星探測工程

中科大博士呂盼稂：與應用結(jié)合的科研更具價值

香港文匯報記者 趙臣 合肥報道

時間雖然不能變長，但卻可以被無限細分，細分到足夠讓你看清每一微秒都發(fā)生了什么?！敖柚咚贁z像機，我們已經(jīng)實現(xiàn)每秒100萬幀的拍攝速度，回看這些照片，就像在顯微鏡下看時間一樣?！苯?jīng)過多年努力，中國科學技術(shù)大學（下文簡稱“中科大”）博士呂盼稂帶領其團隊，成功研發(fā)了具備國際先進水平的高速攝像儀器和精密測量分析技術(shù)，打破了日本、歐美等國家長期在該領域的壟斷。團隊自主研發(fā)的高速攝像機產(chǎn)品被廣泛應用于科研、航空航天、工業(yè)等領域，并在我國火星探測工程等多項國家重大科學研究任務中發(fā)揮重要作用。

呂盼稂帶領團隊研發(fā)高速攝像機技術(shù)已超過10年。香港文匯報記者趙臣 攝

【人物名片】呂盼稂，2011年畢業(yè)于中國科學技術(shù)大學，獲博士學位，安徽省扶持高層次科技人才團隊在皖創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目核心成員。呂盼稂團隊致力于超高時空分辨率新視覺前沿技術(shù)研究，他主導研發(fā)的“千眼狼”高速攝像儀打破了日本、美國、歐洲等同類產(chǎn)品及其技術(shù)在中國市場的壟斷。目前，呂盼稂團隊獲得研發(fā)專利60多項，團隊主持完成及承擔在研包括國家級高端儀器進口替代項目、國家科技部重點研發(fā)計劃、安徽省科技重大專項等10馀項。呂盼稂基于高速攝像機領域的研發(fā)成果獲安徽省機械工業(yè)科學技術(shù)一等獎、中國電子協(xié)會科學技術(shù)發(fā)明二等獎等多項大獎。

在位于安徽省合肥市包河區(qū)的合肥富煌君達高科信息技術(shù)有限公司（下文簡稱“富煌君達高科”）實驗室內(nèi)，香港文匯報記者見到了呂盼稂博士和其研發(fā)團隊。基于高速攝像技術(shù)與科研領域的結(jié)合，團隊正在研發(fā)跟蹤分析多相流中的氣泡的技術(shù)，同時，包括工業(yè)領域的很多應用產(chǎn)品亦在同步研發(fā)中。“上周跟中科大的老師們交流，他們在高端儀器方面又有很多新的成果，具備成果轉(zhuǎn)化的條件?！眳闻物d奮地介紹，他希望在不斷提升自己團隊研發(fā)能力的同時，助力更多科研工作者進行成果轉(zhuǎn)化，助力我國高端儀器領域的快速發(fā)展。

呂盼稂團隊成員進行芯片實驗。 受訪者供圖

進口儀器返修難 帶領師弟自己造

呂盼稂1996年考入中科大，隨后的15年里，研究生、博士、博士后，他一直在該校求學、工作。呂盼稂回憶，第一次見到高速攝像機是在他大一參觀學校實驗室時，那是臺使用膠片的機器，拍一秒鐘的素材就要耗費幾十米的膠片，雖然用起來很麻煩，但呂盼稂卻對其產(chǎn)生了濃厚興趣?！昂髞韺W校用的是從國外進口的數(shù)碼高速攝像機，上百萬元（人民幣，下同）一臺，然而用的過程中經(jīng)常壞。”呂盼稂介紹，每次維修還需要辦理海關申請等各種手續(xù)把儀器寄到國外，修一次需要半年多時間。

“我在學校博士后期間，就想嘗試自己能不能修?！眳闻物l(fā)現(xiàn)，雖然高速攝像機內(nèi)部的芯片、電路等結(jié)構(gòu)不復雜，但因為不清楚其中的算法，所以他覺得自己造一臺比維修更容易。得到導師的鼓勵之后，他與兩位師弟一起展開了研究。“我們從美國進口了芯片等元件，由于學校的研究對攝像機的性能要求不高，所以在解決了芯片輸出的高速信號接收等核心問題后，團隊僅花費兩年時間就成功研發(fā)了一臺高速攝像機。”呂盼稂告訴記者，那臺攝像機的性能雖然只有100萬像素，每秒拍攝500幀，但在當時已足夠滿足學校實驗室需求。

成品元件受限多 創(chuàng)新調(diào)試獲專利

“既然我們做出來的高速攝像機用著還不錯，為什么不做成產(chǎn)品給更多的科研人員使用呢？”呂盼稂了解到，當時國內(nèi)雖然有科研院所進行高速攝像相關項目的研究，但卻沒有一家企業(yè)生產(chǎn)高速攝像機產(chǎn)品，需求全部依賴進口，而且進口機器售價很高，從幾十萬元到上百萬元不等。2011年，呂盼稂博士后出站，受自己導師注重科研產(chǎn)業(yè)化的影響，他決定與兩位師弟一起創(chuàng)業(yè)，創(chuàng)辦君達高科，專注更高性能高速攝像機產(chǎn)品的研發(fā)。

市場化產(chǎn)品研發(fā)的過程遠比呂盼稂想象中要難得多。一臺完整的高速攝像機包含10種核心芯片以及400多種元器件，而市場成品的元件性能很難直接滿足團隊的要求，要想在現(xiàn)有基礎上研發(fā)更高性能的儀器，團隊必須挨個元件攻克。最初團隊人員少，熬夜加班是常有的事?！按蠹夜ぷ鞫己苤鲃樱貏e投入，并且特別興奮地挨個攻克難題。”那段時間，每天工作到凌晨3點成了呂盼稂的工作常態(tài)，如今回想，他卻并沒覺得有多辛苦。

呂盼稂介紹，研發(fā)過程中遇到問題最多的就是芯片問題，以傳感器芯片為例，當時團隊采購芯片的最高性能是400萬像素，每秒400幀的速度，但是團隊要實現(xiàn)500幀的指標，強行加快速度，輸出的圖片質(zhì)量就很差。為了解決這一難題，團隊成員經(jīng)過幾個月的反復嘗試，最后通過精心調(diào)節(jié)芯片的驅(qū)動電路和外圍通信電路，才將圖像輸出的圖像質(zhì)量問題解決。

芯片問題還只是其中一部分，很多基礎功能元件都需要團隊重新開發(fā)。例如用于存儲高速視頻數(shù)據(jù)的存儲控制器，假設拍攝一張照片的像素是800KB，高速攝像機每秒即拍攝幾十萬張圖片，因此需要至少比市面?zhèn)鬏斉c存儲速度快100倍以上的存儲控制器。“當時團隊從存儲控制器的底層邏輯重新開發(fā)，光代碼就寫了半年多時間，最后實現(xiàn)了容量2.5T，帶寬達6G的存儲控制器?！眳闻物榻B，即便現(xiàn)在，團隊也一直在不斷研發(fā)升級存儲控制器等核心器件的性能。而基于此類元件的創(chuàng)新研發(fā)，團隊目前已經(jīng)取得了60多項研發(fā)專利。

自研芯片破壟斷 今年有望創(chuàng)新高

經(jīng)過近3年的摸索，呂盼稂團隊于2014年成功研發(fā)出第一臺高性能高速攝像機。“第一臺相機交付給北京的一所院校，后來學校老師反饋拍攝效果非常好，給了團隊很大的鼓勵?！痹诋敃r，同等性能的進口高速攝像機售價在20萬元左右，呂盼稂團隊產(chǎn)品只需6萬多元，高性價比的產(chǎn)品為團隊贏得了市場口碑。

而隨著我國在航空航天、科研等領域的研發(fā)深入，國內(nèi)對高速攝像機的性能要求越來越高?！俺咝阅艿母咚贁z像機，發(fā)達國家均禁止對外出口，例如美國就禁止出口曝光時間小于100納秒的高速攝像機?！睘榱送黄茐艛嗖M足國內(nèi)研發(fā)需求，自2017年至今，呂盼稂研發(fā)的高速攝像機拍攝速度從每秒2000幀上升到1萬幀，再到如今的100萬幀，逐漸實現(xiàn)了進口高速攝像機的國產(chǎn)化替代。

2018年，為了進一步突破高端高速攝像機的性能，呂盼稂團隊決定自己研發(fā)核心器件圖像傳感器芯片?！皞鞲衅餍酒切酒凶铍y的一種類型，屬于數(shù)模混合芯片，需要很多年的經(jīng)驗積累才能保證傳輸信號不失真。”為此，呂盼稂團隊又吸納了多位在芯片研發(fā)領域的專業(yè)人才。歷經(jīng)兩年半的攻克，我國第一款可以實現(xiàn)800萬像素，每秒2000幀速度的傳感器芯片研發(fā)成功?！斑@款芯片針對我們使用過程中的很多問題進行了優(yōu)化，例如畫面比例、動態(tài)范圍等，十分適合三維測量領域?！眳闻物榻B。

基于這款芯片的高性能，呂盼稂團隊研發(fā)的高速攝像機拍攝速度亦實現(xiàn)了每秒100萬幀的突破，不僅打破了進口高端整機產(chǎn)品在國內(nèi)市場的壟斷，該團隊亦成為國內(nèi)唯一可以生產(chǎn)成熟商品化高速攝像機系統(tǒng)的團隊。而他們在高速攝像機領域的研發(fā)從未停止，呂盼稂透露，團隊今年的目標是實現(xiàn)高速攝像機拍攝速度達到每秒500萬幀的新高度。

應用中發(fā)現(xiàn)更多有價值研究課題

◆利用高速攝像機拍攝的球落水瞬間。受訪者供圖

2019年，國家重大項目相關負責人找到了呂盼稂。當時我國正在進行火星探測器著陸的相關實驗，火星探測器在下降過程中需要不斷調(diào)整位置，才能使其最終平穩(wěn)降落到指定地點，在這個過程中，需要高速攝像機實時準確測量其下降過程中位移、速度、加速度等重要參數(shù)，助力火星探測器準確著陸?！爸八麄冋伊撕枚鄦挝欢紵o法達到要求，最后才找到了我們?！眳闻物榻B，火星探測器下降過程中要求高速攝像機拍攝的速度快且精度高，團隊在現(xiàn)有高速攝像機產(chǎn)品的基礎上，通過不斷優(yōu)化其快速自動對焦功能，經(jīng)過半年多的調(diào)試，最終圓滿完成任務。

除了在科研領域，如今包括生物醫(yī)療、工業(yè)等各個領域?qū)Ω咚贁z像機都有了很高的需求?！霸谶@些領域中的很多問題，如果用高速攝像機來分析，問題就變得簡單很多?！眳闻物鼒F隊針對高鐵鐵軌磨損檢測需求研發(fā)的檢測系統(tǒng)，工作人員只需打開設備將鐵軌掃描一遍，就可以自動計算出鐵軌的磨損程度。包括當下的新冠疫情，病毒與細胞反應的過程，以及病毒在空氣中傳播的路徑等，這些都很適合用高速攝像的新視覺技術(shù)進行分析。

據(jù)市場需求調(diào)整研發(fā)方向

求學期間，呂盼稂的導師竺長安教授十分注重產(chǎn)業(yè)化應用，這一理念直接影響著呂盼稂的科研之路。“我認為好的科研成果應該嘗試去做成果轉(zhuǎn)化，在應用中發(fā)現(xiàn)更多有價值的研究課題，反過來促進科研創(chuàng)新?！眳闻物寡?，自己在高速攝像機領域的研發(fā)正是這一理念的有效踐行，若當初科研成果止步于實驗室，也許現(xiàn)在我國還沒有拿得出手的高速攝像機產(chǎn)品。

呂盼稂介紹，目前從國家到地方政府再到高校均十分重視科研成果轉(zhuǎn)化，特別是高校和科研院所，科研人員自主知識產(chǎn)權(quán)的成果轉(zhuǎn)化也有更為明確的方向指引，同時市場對優(yōu)秀的科研項目亦十分青睞?，F(xiàn)在，呂盼稂團隊正主持完成及承擔國家級高端儀器進口替代項目、國家科技部重點研發(fā)計劃等。他透露，以前這類國家級、省級的重點項目只能是科研院所等單位才能申請，但現(xiàn)在有研發(fā)能力的民營企業(yè)會更具優(yōu)勢。呂盼稂認為，科研與應用相結(jié)合會更有前景。“現(xiàn)在科研人員尋找課題越來越難，但是在與產(chǎn)業(yè)結(jié)合的過程中，會從實際應用、客戶反饋等過程中發(fā)現(xiàn)可以成為研究課題的方向。”在開發(fā)高端攝像機工業(yè)領域的使用場景時，呂盼稂團隊就經(jīng)常遇到很多在實驗室遇不到的難題，例如生產(chǎn)線機器材料反光影響拍照清晰度，產(chǎn)線零件形狀各異造成拍攝有遮擋等，因此團隊會根據(jù)遇到難題有針對性的進行研發(fā)調(diào)整，以符合產(chǎn)業(yè)應用。

培養(yǎng)人才手把手 團隊注重“傳幫帶”

◆呂盼稂（右二）指導團隊解決研發(fā)難題。 香港文匯報記者趙臣 攝

現(xiàn)如今，呂盼稂團隊的研發(fā)人員已從最初的3人增加到目前的120多人，團隊成員亦專注在高速攝像機應用的各個產(chǎn)業(yè)領域不斷尋求突破。提到自己的科研團隊，呂盼稂十分讚賞：“大家對待工作都十分主動，而且很喜歡挑戰(zhàn)一些難題?！痹趨闻物鼒F隊，成員圍繞科研難題做研究加班到凌晨是常有的事，但大家卻充滿激情?！拔覀儓F隊有一個有趣的‘3點效應’，研發(fā)過程中包括存儲控制器、激光線等很多關鍵難題最后都是團隊在凌晨3點解決的，3點也成了團隊的吉祥數(shù)字?！眳闻物榻B。

自2012年就加入團隊的中科大碩士盧小銀告訴香港文匯報記者，團隊之所以有今天的研發(fā)氛圍，與呂盼稂堅持“手把手”帶團隊分不開?！皡尾┦渴菆F隊的靈魂人物，包括我的很多技能，都是他手把手教出來的，有新成員加入后，我再把技能手把手教給他們?！北R小銀介紹，高速攝像機是一個複雜系統(tǒng)，而團隊人員有限，因此就要求各成員必須是複合型人才，從系統(tǒng)原理到最基礎的代碼編寫都要懂，在團隊管理過程中，培養(yǎng)人才是他們花大精力去做的事?！拔覀儓F隊傳承了實驗室研發(fā)氛圍，在學校實驗室，都是師兄帶著師弟做研究，在我們團隊也是如此?！?