研發(fā)高速攝像破美日技術(shù)壟斷 助力火星探測(cè)工程

中科大博士呂盼稂：與應(yīng)用結(jié)合的科研更具價(jià)值

香港文匯報(bào)記者 趙臣 合肥報(bào)道

時(shí)間雖然不能變長，但卻可以被無限細(xì)分，細(xì)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(jī)，我們已經(jīng)實(shí)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(shí)間一樣?！苯?jīng)過多年努力，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（下文簡稱“中科大”）博士呂盼稂帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)，成功研發(fā)了具備國際先進(jìn)水平的高速攝像儀器和精密測(cè)量分析技術(shù)，打破了日本、歐美等國家長期在該領(lǐng)域的壟斷。團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的高速攝像機(jī)產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于科研、航空航天、工業(yè)等領(lǐng)域，并在我國火星探測(cè)工程等多項(xiàng)國家重大科學(xué)研究任務(wù)中發(fā)揮重要作用。

呂盼稂帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)高速攝像機(jī)技術(shù)已超過10年。香港文匯報(bào)記者趙臣 攝

【人物名片】呂盼稂，2011年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，獲博士學(xué)位，安徽省扶持高層次科技人才團(tuán)隊(duì)在皖創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目核心成員。呂盼稂團(tuán)隊(duì)致力于超高時(shí)空分辨率新視覺前沿技術(shù)研究，他主導(dǎo)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(chǎng)的壟斷。目前，呂盼稂團(tuán)隊(duì)獲得研發(fā)專利60多項(xiàng)，團(tuán)隊(duì)主持完成及承擔(dān)在研包括國家級(jí)高端儀器進(jìn)口替代項(xiàng)目、國家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、安徽省科技重大專項(xiàng)等10馀項(xiàng)。呂盼稂基于高速攝像機(jī)領(lǐng)域的研發(fā)成果獲安徽省機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、中國電子協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)等多項(xiàng)大獎(jiǎng)。

在位于安徽省合肥市包河區(qū)的合肥富煌君達(dá)高科信息技術(shù)有限公司（下文簡稱“富煌君達(dá)高科”）實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，香港文匯報(bào)記者見到了呂盼稂博士和其研發(fā)團(tuán)隊(duì)?；诟咚贁z像技術(shù)與科研領(lǐng)域的結(jié)合，團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)跟蹤分析多相流中的氣泡的技術(shù)，同時(shí)，包括工業(yè)領(lǐng)域的很多應(yīng)用產(chǎn)品亦在同步研發(fā)中?！吧现芨锌拼蟮睦蠋焸兘涣鳎麄?cè)诟叨藘x器方面又有很多新的成果，具備成果轉(zhuǎn)化的條件。”呂盼稂興奮地介紹，他希望在不斷提升自己團(tuán)隊(duì)研發(fā)能力的同時(shí)，助力更多科研工作者進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化，助力我國高端儀器領(lǐng)域的快速發(fā)展。

呂盼稂團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行芯片實(shí)驗(yàn)。 受訪者供圖

進(jìn)口儀器返修難 帶領(lǐng)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(xué)、工作。呂盼稂回憶，第一次見到高速攝像機(jī)是在他大一參觀學(xué)校實(shí)驗(yàn)室時(shí)，那是臺(tái)使用膠片的機(jī)器，拍一秒鐘的素材就要耗費(fèi)幾十米的膠片，雖然用起來很麻煩，但呂盼稂卻對(duì)其產(chǎn)生了濃厚興趣?！昂髞韺W(xué)校用的是從國外進(jìn)口的數(shù)碼高速攝像機(jī)，上百萬元（人民幣，下同）一臺(tái)，然而用的過程中經(jīng)常壞?！眳闻物榻B，每次維修還需要辦理海關(guān)申請(qǐng)等各種手續(xù)把儀器寄到國外，修一次需要半年多時(shí)間。

“我在學(xué)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(jī)內(nèi)部的芯片、電路等結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，但因?yàn)椴磺宄渲械乃惴?，所以他覺得自己造一臺(tái)比維修更容易。得到導(dǎo)師的鼓勵(lì)之后，他與兩位師弟一起展開了研究。“我們從美國進(jìn)口了芯片等元件，由于學(xué)校的研究對(duì)攝像機(jī)的性能要求不高，所以在解決了芯片輸出的高速信號(hào)接收等核心問題后，團(tuán)隊(duì)僅花費(fèi)兩年時(shí)間就成功研發(fā)了一臺(tái)高速攝像機(jī)?！眳闻物嬖V記者，那臺(tái)攝像機(jī)的性能雖然只有100萬像素，每秒拍攝500幀，但在當(dāng)時(shí)已足夠滿足學(xué)校實(shí)驗(yàn)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(jī)用著還不錯(cuò)，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(dāng)時(shí)國內(nèi)雖然有科研院所進(jìn)行高速攝像相關(guān)項(xiàng)目的研究，但卻沒有一家企業(yè)生產(chǎn)高速攝像機(jī)產(chǎn)品，需求全部依賴進(jìn)口，而且進(jìn)口機(jī)器售價(jià)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(dǎo)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(dá)高科，專注更高性能高速攝像機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)。

市場(chǎng)化產(chǎn)品研發(fā)的過程遠(yuǎn)比呂盼稂想象中要難得多。一臺(tái)完整的高速攝像機(jī)包含10種核心芯片以及400多種元器件，而市場(chǎng)成品的元件性能很難直接滿足團(tuán)隊(duì)的要求，要想在現(xiàn)有基礎(chǔ)上研發(fā)更高性能的儀器，團(tuán)隊(duì)必須挨個(gè)元件攻克。最初團(tuán)隊(duì)人員少，熬夜加班是常有的事。“大家工作都很主動(dòng)，特別投入，并且特別興奮地挨個(gè)攻克難題?！蹦嵌螘r(shí)間，每天工作到凌晨3點(diǎn)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(dāng)時(shí)團(tuán)隊(duì)采購芯片的最高性能是400萬像素，每秒400幀的速度，但是團(tuán)隊(duì)要實(shí)現(xiàn)500幀的指標(biāo)，強(qiáng)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(tuán)隊(duì)成員經(jīng)過幾個(gè)月的反復(fù)嘗試，最后通過精心調(diào)節(jié)芯片的驅(qū)動(dòng)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(chǔ)功能元件都需要團(tuán)隊(duì)重新開發(fā)。例如用于存儲(chǔ)高速視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)控制器，假設(shè)拍攝一張照片的像素是800KB，高速攝像機(jī)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(chǔ)速度快100倍以上的存儲(chǔ)控制器。“當(dāng)時(shí)團(tuán)隊(duì)從存儲(chǔ)控制器的底層邏輯重新開發(fā)，光代碼就寫了半年多時(shí)間，最后實(shí)現(xiàn)了容量2.5T，帶寬達(dá)6G的存儲(chǔ)控制器?！眳闻物榻B，即便現(xiàn)在，團(tuán)隊(duì)也一直在不斷研發(fā)升級(jí)存儲(chǔ)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(tuán)隊(duì)目前已經(jīng)取得了60多項(xiàng)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(tuán)隊(duì)于2014年成功研發(fā)出第一臺(tái)高性能高速攝像機(jī)?！暗谝慌_(tái)相機(jī)交付給北京的一所院校，后來學(xué)校老師反饋拍攝效果非常好，給了團(tuán)隊(duì)很大的鼓勵(lì)?！痹诋?dāng)時(shí)，同等性能的進(jìn)口高速攝像機(jī)售價(jià)在20萬元左右，呂盼稂團(tuán)隊(duì)產(chǎn)品只需6萬多元，高性價(jià)比的產(chǎn)品為團(tuán)隊(duì)贏得了市場(chǎng)口碑。

而隨著我國在航空航天、科研等領(lǐng)域的研發(fā)深入，國內(nèi)對(duì)高速攝像機(jī)的性能要求越來越高?！俺咝阅艿母咚贁z像機(jī)，發(fā)達(dá)國家均禁止對(duì)外出口，例如美國就禁止出口曝光時(shí)間小于100納秒的高速攝像機(jī)?！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(jī)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(shí)現(xiàn)了進(jìn)口高速攝像機(jī)的國產(chǎn)化替代。

2018年，為了進(jìn)一步突破高端高速攝像機(jī)的性能，呂盼稂團(tuán)隊(duì)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(yàn)積累才能保證傳輸信號(hào)不失真?！睘榇耍瑓闻物鼒F(tuán)隊(duì)又吸納了多位在芯片研發(fā)領(lǐng)域的專業(yè)人才。歷經(jīng)兩年半的攻克，我國第一款可以實(shí)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(duì)我們使用過程中的很多問題進(jìn)行了優(yōu)化，例如畫面比例、動(dòng)態(tài)范圍等，十分適合三維測(cè)量領(lǐng)域?！眳闻物榻B。

基于這款芯片的高性能，呂盼稂團(tuán)隊(duì)研發(fā)的高速攝像機(jī)拍攝速度亦實(shí)現(xiàn)了每秒100萬幀的突破，不僅打破了進(jìn)口高端整機(jī)產(chǎn)品在國內(nèi)市場(chǎng)的壟斷，該團(tuán)隊(duì)亦成為國內(nèi)唯一可以生產(chǎn)成熟商品化高速攝像機(jī)系統(tǒng)的團(tuán)隊(duì)。而他們?cè)诟咚贁z像機(jī)領(lǐng)域的研發(fā)從未停止，呂盼稂透露，團(tuán)隊(duì)今年的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高速攝像機(jī)拍攝速度達(dá)到每秒500萬幀的新高度。

應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)更多有價(jià)值研究課題

◆利用高速攝像機(jī)拍攝的球落水瞬間。受訪者供圖

2019年，國家重大項(xiàng)目相關(guān)負(fù)責(zé)人找到了呂盼稂。當(dāng)時(shí)我國正在進(jìn)行火星探測(cè)器著陸的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，火星探測(cè)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(diǎn)，在這個(gè)過程中，需要高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)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(cè)器準(zhǔn)確著陸?！爸八麄冋伊撕枚鄦挝欢紵o法達(dá)到要求，最后才找到了我們?！眳闻物榻B，火星探測(cè)器下降過程中要求高速攝像機(jī)拍攝的速度快且精度高，團(tuán)隊(duì)在現(xiàn)有高速攝像機(jī)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，通過不斷優(yōu)化其快速自動(dòng)對(duì)焦功能，經(jīng)過半年多的調(diào)試，最終圓滿完成任務(wù)。

除了在科研領(lǐng)域，如今包括生物醫(yī)療、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域?qū)Ω咚贁z像機(jī)都有了很高的需求?！霸谶@些領(lǐng)域中的很多問題，如果用高速攝像機(jī)來分析，問題就變得簡單很多?！眳闻物鼒F(tuán)隊(duì)針對(duì)高鐵鐵軌磨損檢測(cè)需求研發(fā)的檢測(cè)系統(tǒng)，工作人員只需打開設(shè)備將鐵軌掃描一遍，就可以自動(dòng)計(jì)算出鐵軌的磨損程度。包括當(dāng)下的新冠疫情，病毒與細(xì)胞反應(yīng)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(jìn)行分析。

據(jù)市場(chǎng)需求調(diào)整研發(fā)方向

求學(xué)期間，呂盼稂的導(dǎo)師竺長安教授十分注重產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，這一理念直接影響著呂盼稂的科研之路?！拔艺J(rèn)為好的科研成果應(yīng)該嘗試去做成果轉(zhuǎn)化，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)更多有價(jià)值的研究課題，反過來促進(jìn)科研創(chuàng)新。”呂盼稂坦言，自己在高速攝像機(jī)領(lǐng)域的研發(fā)正是這一理念的有效踐行，若當(dāng)初科研成果止步于實(shí)驗(yàn)室，也許現(xiàn)在我國還沒有拿得出手的高速攝像機(jī)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(shí)產(chǎn)權(quán)的成果轉(zhuǎn)化也有更為明確的方向指引，同時(shí)市場(chǎng)對(duì)優(yōu)秀的科研項(xiàng)目亦十分青睞。現(xiàn)在，呂盼稂團(tuán)隊(duì)正主持完成及承擔(dān)國家級(jí)高端儀器進(jìn)口替代項(xiàng)目、國家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等。他透露，以前這類國家級(jí)、省級(jí)的重點(diǎn)項(xiàng)目只能是科研院所等單位才能申請(qǐng)，但現(xiàn)在有研發(fā)能力的民營企業(yè)會(huì)更具優(yōu)勢(shì)。呂盼稂認(rèn)為，科研與應(yīng)用相結(jié)合會(huì)更有前景?！艾F(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(huì)從實(shí)際應(yīng)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(jī)工業(yè)領(lǐng)域的使用場(chǎng)景時(shí)，呂盼稂團(tuán)隊(duì)就經(jīng)常遇到很多在實(shí)驗(yàn)室遇不到的難題，例如生產(chǎn)線機(jī)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(tuán)隊(duì)會(huì)根據(jù)遇到難題有針對(duì)性的進(jìn)行研發(fā)調(diào)整，以符合產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

培養(yǎng)人才手把手 團(tuán)隊(duì)注重“傳幫帶”

◆呂盼稂（右二）指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)解決研發(fā)難題。 香港文匯報(bào)記者趙臣 攝

現(xiàn)如今，呂盼稂團(tuán)隊(duì)的研發(fā)人員已從最初的3人增加到目前的120多人，團(tuán)隊(duì)成員亦專注在高速攝像機(jī)應(yīng)用的各個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域不斷尋求突破。提到自己的科研團(tuán)隊(duì)，呂盼稂十分讚賞：“大家對(duì)待工作都十分主動(dòng)，而且很喜歡挑戰(zhàn)一些難題?！痹趨闻物鼒F(tuán)隊(duì)，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(tuán)隊(duì)有一個(gè)有趣的‘3點(diǎn)效應(yīng)’，研發(fā)過程中包括存儲(chǔ)控制器、激光線等很多關(guān)鍵難題最后都是團(tuán)隊(duì)在凌晨3點(diǎn)解決的，3點(diǎn)也成了團(tuán)隊(duì)的吉祥數(shù)字?！眳闻物榻B。

自2012年就加入團(tuán)隊(duì)的中科大碩士盧小銀告訴香港文匯報(bào)記者，團(tuán)隊(duì)之所以有今天的研發(fā)氛圍，與呂盼稂堅(jiān)持“手把手”帶團(tuán)隊(duì)分不開。“呂博士是團(tuán)隊(duì)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(jī)是一個(gè)複雜系統(tǒng)，而團(tuán)隊(duì)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(chǔ)的代碼編寫都要懂，在團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)傳承了實(shí)驗(yàn)室研發(fā)氛圍，在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室，都是師兄帶著師弟做研究，在我們團(tuán)隊(duì)也是如此?！?