研发高速摄像破美日技术垄断 助力火星探测工程

中科大博士吕盼稂：与应用结合的科研更具价值

香港文汇报记者 赵臣 合肥报道

时间虽然不能变长，但却可以被无限细分，细分到足够让你看清每一微秒都发生了什么。“借助高速摄像机，我们已经实现每秒100万帧的拍摄速度，回看这些照片，就像在显微镜下看时间一样。”经过多年努力，中国科学技术大学（下文简称“中科大”）博士吕盼稂带领其团队，成功研发了具备国际先进水平的高速摄像仪器和精密测量分析技术，打破了日本、欧美等国家长期在该领域的垄断。团队自主研发的高速摄像机产品被广泛应用于科研、航空航天、工业等领域，并在我国火星探测工程等多项国家重大科学研究任务中发挥重要作用。

吕盼稂带领团队研发高速摄像机技术已超过10年。香港文汇报记者赵臣 摄

【人物名片】吕盼稂，2011年毕业于中国科学技术大学，获博士学位，安徽省扶持高层次科技人才团队在皖创新创业项目核心成员。吕盼稂团队致力于超高时空分辨率新视觉前沿技术研究，他主导研发的“千眼狼”高速摄像仪打破了日本、美国、欧洲等同类产品及其技术在中国市场的垄断。目前，吕盼稂团队获得研发专利60多项，团队主持完成及承担在研包括国家级高端仪器进口替代项目、国家科技部重点研发计划、安徽省科技重大专项等10馀项。吕盼稂基于高速摄像机领域的研发成果获安徽省机械工业科学技术一等奖、中国电子协会科学技术发明二等奖等多项大奖。

在位于安徽省合肥市包河区的合肥富煌君达高科信息技术有限公司（下文简称“富煌君达高科”）实验室内，香港文汇报记者见到了吕盼稂博士和其研发团队。基于高速摄像技术与科研领域的结合，团队正在研发跟踪分析多相流中的气泡的技术，同时，包括工业领域的很多应用产品亦在同步研发中。“上周跟中科大的老师们交流，他们在高端仪器方面又有很多新的成果，具备成果转化的条件。”吕盼稂兴奋地介绍，他希望在不断提升自己团队研发能力的同时，助力更多科研工作者进行成果转化，助力我国高端仪器领域的快速发展。

吕盼稂团队成员进行芯片实验。 受访者供图

进口仪器返修难 带领师弟自己造

吕盼稂1996年考入中科大，随后的15年里，研究生、博士、博士后，他一直在该校求学、工作。吕盼稂回忆，第一次见到高速摄像机是在他大一参观学校实验室时，那是台使用胶片的机器，拍一秒钟的素材就要耗费几十米的胶片，虽然用起来很麻烦，但吕盼稂却对其产生了浓厚兴趣。“后来学校用的是从国外进口的数码高速摄像机，上百万元（人民币，下同）一台，然而用的过程中经常坏。”吕盼稂介绍，每次维修还需要办理海关申请等各种手续把仪器寄到国外，修一次需要半年多时间。

“我在学校博士后期间，就想尝试自己能不能修。”吕盼稂发现，虽然高速摄像机内部的芯片、电路等结构不复杂，但因为不清楚其中的算法，所以他觉得自己造一台比维修更容易。得到导师的鼓励之后，他与两位师弟一起展开了研究。“我们从美国进口了芯片等元件，由于学校的研究对摄像机的性能要求不高，所以在解决了芯片输出的高速信号接收等核心问题后，团队仅花费两年时间就成功研发了一台高速摄像机。”吕盼稂告诉记者，那台摄像机的性能虽然只有100万像素，每秒拍摄500帧，但在当时已足够满足学校实验室需求。

成品元件受限多 创新调试获专利

“既然我们做出来的高速摄像机用着还不错，为什么不做成产品给更多的科研人员使用呢？”吕盼稂了解到，当时国内虽然有科研院所进行高速摄像相关项目的研究，但却没有一家企业生产高速摄像机产品，需求全部依赖进口，而且进口机器售价很高，从几十万元到上百万元不等。2011年，吕盼稂博士后出站，受自己导师注重科研产业化的影响，他决定与两位师弟一起创业，创办君达高科，专注更高性能高速摄像机产品的研发。

市场化产品研发的过程远比吕盼稂想象中要难得多。一台完整的高速摄像机包含10种核心芯片以及400多种元器件，而市场成品的元件性能很难直接满足团队的要求，要想在现有基础上研发更高性能的仪器，团队必须挨个元件攻克。最初团队人员少，熬夜加班是常有的事。“大家工作都很主动，特别投入，并且特别兴奋地挨个攻克难题。”那段时间，每天工作到凌晨3点成了吕盼稂的工作常态，如今回想，他却并没觉得有多辛苦。

吕盼稂介绍，研发过程中遇到问题最多的就是芯片问题，以传感器芯片为例，当时团队采购芯片的最高性能是400万像素，每秒400帧的速度，但是团队要实现500帧的指标，强行加快速度，输出的图片质量就很差。为了解决这一难题，团队成员经过几个月的反复尝试，最后通过精心调节芯片的驱动电路和外围通信电路，才将图像输出的图像质量问题解决。

芯片问题还只是其中一部分，很多基础功能元件都需要团队重新开发。例如用于存储高速视频数据的存储控制器，假设拍摄一张照片的像素是800KB，高速摄像机每秒即拍摄几十万张图片，因此需要至少比市面传输与存储速度快100倍以上的存储控制器。“当时团队从存储控制器的底层逻辑重新开发，光代码就写了半年多时间，最后实现了容量2.5T，带宽达6G的存储控制器。”吕盼稂介绍，即便现在，团队也一直在不断研发升级存储控制器等核心器件的性能。而基于此类元件的创新研发，团队目前已经取得了60多项研发专利。

自研芯片破垄断 今年有望创新高

经过近3年的摸索，吕盼稂团队于2014年成功研发出第一台高性能高速摄像机。“第一台相机交付给北京的一所院校，后来学校老师反馈拍摄效果非常好，给了团队很大的鼓励。”在当时，同等性能的进口高速摄像机售价在20万元左右，吕盼稂团队产品只需6万多元，高性价比的产品为团队赢得了市场口碑。

而随着我国在航空航天、科研等领域的研发深入，国内对高速摄像机的性能要求越来越高。“超高性能的高速摄像机，发达国家均禁止对外出口，例如美国就禁止出口曝光时间小于100纳秒的高速摄像机。”为了突破垄断并满足国内研发需求，自2017年至今，吕盼稂研发的高速摄像机拍摄速度从每秒2000帧上升到1万帧，再到如今的100万帧，逐渐实现了进口高速摄像机的国产化替代。

2018年，为了进一步突破高端高速摄像机的性能，吕盼稂团队决定自己研发核心器件图像传感器芯片。“传感器芯片是芯片中最难的一种类型，属于数模混合芯片，需要很多年的经验积累才能保证传输信号不失真。”为此，吕盼稂团队又吸纳了多位在芯片研发领域的专业人才。历经两年半的攻克，我国第一款可以实现800万像素，每秒2000帧速度的传感器芯片研发成功。“这款芯片针对我们使用过程中的很多问题进行了优化，例如画面比例、动态范围等，十分适合三维测量领域。”吕盼稂介绍。

基于这款芯片的高性能，吕盼稂团队研发的高速摄像机拍摄速度亦实现了每秒100万帧的突破，不仅打破了进口高端整机产品在国内市场的垄断，该团队亦成为国内唯一可以生产成熟商品化高速摄像机系统的团队。而他们在高速摄像机领域的研发从未停止，吕盼稂透露，团队今年的目标是实现高速摄像机拍摄速度达到每秒500万帧的新高度。

应用中发现更多有价值研究课题

◆利用高速摄像机拍摄的球落水瞬间。受访者供图

2019年，国家重大项目相关负责人找到了吕盼稂。当时我国正在进行火星探测器着陆的相关实验，火星探测器在下降过程中需要不断调整位置，才能使其最终平稳降落到指定地点，在这个过程中，需要高速摄像机实时准确测量其下降过程中位移、速度、加速度等重要参数，助力火星探测器准确着陆。“之前他们找了好多单位都无法达到要求，最后才找到了我们。”吕盼稂介绍，火星探测器下降过程中要求高速摄像机拍摄的速度快且精度高，团队在现有高速摄像机产品的基础上，通过不断优化其快速自动对焦功能，经过半年多的调试，最终圆满完成任务。

除了在科研领域，如今包括生物医疗、工业等各个领域对高速摄像机都有了很高的需求。“在这些领域中的很多问题，如果用高速摄像机来分析，问题就变得简单很多。”吕盼稂团队针对高铁铁轨磨损检测需求研发的检测系统，工作人员只需打开设备将铁轨扫描一遍，就可以自动计算出铁轨的磨损程度。包括当下的新冠疫情，病毒与细胞反应的过程，以及病毒在空气中传播的路径等，这些都很适合用高速摄像的新视觉技术进行分析。

据市场需求调整研发方向

求学期间，吕盼稂的导师竺长安教授十分注重产业化应用，这一理念直接影响着吕盼稂的科研之路。“我认为好的科研成果应该尝试去做成果转化，在应用中发现更多有价值的研究课题，反过来促进科研创新。”吕盼稂坦言，自己在高速摄像机领域的研发正是这一理念的有效践行，若当初科研成果止步于实验室，也许现在我国还没有拿得出手的高速摄像机产品。

吕盼稂介绍，目前从国家到地方政府再到高校均十分重视科研成果转化，特别是高校和科研院所，科研人员自主知识产权的成果转化也有更为明确的方向指引，同时市场对优秀的科研项目亦十分青睐。现在，吕盼稂团队正主持完成及承担国家级高端仪器进口替代项目、国家科技部重点研发计划等。他透露，以前这类国家级、省级的重点项目只能是科研院所等单位才能申请，但现在有研发能力的民营企业会更具优势。吕盼稂认为，科研与应用相结合会更有前景。“现在科研人员寻找课题越来越难，但是在与产业结合的过程中，会从实际应用、客户反馈等过程中发现可以成为研究课题的方向。”在开发高端摄像机工业领域的使用场景时，吕盼稂团队就经常遇到很多在实验室遇不到的难题，例如生产线机器材料反光影响拍照清晰度，产线零件形状各异造成拍摄有遮挡等，因此团队会根据遇到难题有针对性的进行研发调整，以符合产业应用。

培养人才手把手 团队注重“传帮带”

◆吕盼稂（右二）指导团队解决研发难题。 香港文汇报记者赵臣 摄

现如今，吕盼稂团队的研发人员已从最初的3人增加到目前的120多人，团队成员亦专注在高速摄像机应用的各个产业领域不断寻求突破。提到自己的科研团队，吕盼稂十分讚赏：“大家对待工作都十分主动，而且很喜欢挑战一些难题。”在吕盼稂团队，成员围绕科研难题做研究加班到凌晨是常有的事，但大家却充满激情。“我们团队有一个有趣的‘3点效应’，研发过程中包括存储控制器、激光线等很多关键难题最后都是团队在凌晨3点解决的，3点也成了团队的吉祥数字。”吕盼稂介绍。

自2012年就加入团队的中科大硕士卢小银告诉香港文汇报记者，团队之所以有今天的研发氛围，与吕盼稂坚持“手把手”带团队分不开。“吕博士是团队的灵魂人物，包括我的很多技能，都是他手把手教出来的，有新成员加入后，我再把技能手把手教给他们。”卢小银介绍，高速摄像机是一个複杂系统，而团队人员有限，因此就要求各成员必须是複合型人才，从系统原理到最基础的代码编写都要懂，在团队管理过程中，培养人才是他们花大精力去做的事。“我们团队传承了实验室研发氛围，在学校实验室，都是师兄带着师弟做研究，在我们团队也是如此。”

关键词:吕盼稂 高速摄像仪 国产仪器

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来 源：香港文汇报

编辑：清风

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