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。◆香港文汇报记者 赵臣 合肥报道
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「君达高科」)实验室内,香港文汇报记者见到了吕盼稂和其研发团队。基于高速摄像技术与科研领域的结合,这个团队正在研发跟踪分析多相流中气泡的技术,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,他亦希望助力更多科研工作者进行成果转化,促进我国高端仪器领域的快速发展。
进口机器频故障 决心自己造一台
吕盼稂1996年考入中科大,随后的15年里,从硕士到博士后,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,那是台胶片机,每拍一秒钟的素材,竟要耗费几十米长的胶片。虽然用起来很麻烦,但吕盼稂却对其产生了浓厚兴趣。「后来学校有了从国外进口的数码高速摄像机,上百万元(人民币,下同)一台,但使用过程中经常出现故障。」吕盼稂说,学校每次维修这台机器,还需要申请等各种手续,把仪器寄到国外,这样一去一回,需要半年多时间。
因忍受不了这种经常性的故障导致对工作的「耽搁」,吕盼稂在学校博士后期间,就想着自己能不能试着维修。他发现,虽然高速摄像机内部的芯片、电路等结构不复杂,但因不明这台机器的算法,相比之下,自己造一台可能比维修更来得实际。在得到导师的鼓励之后,他与两位师弟一起展开了研究。他们先从美国进口芯片,用了两年多时间,突破了芯片输出的高速信号接收等核心问题,自己「攒」的第一台高速摄像机总算研发成功。「虽然只有100万像素,每秒拍摄500帧,但在当时已足以满足学校实验室需求。」吕盼稂说。
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?」吕盼稂告诉香港文汇报记者,当时国内需求全部依赖进口,还没有一家企业生产高速摄像机产品,而且进口机器售价很高,从几十万元到上百万元不等。与此同时,实验所需的超高性能高速摄像机,还被一些国家列为禁止出口的名单,「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。」吕盼稂说。
2011年,吕盼稂博士后出站,受导师注重科研产业化的影响,决定与两位师弟一起创业,创办了君达高科,专注更高性能高速摄像机产品研发。
市场化产品研发的过程远比吕盼稂想像中要难得多,「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。」团队成员经过几个月的反覆尝试,最后通过精心调节芯片的驱动电路和外围通信电路,才将输出的图像质量问题解决。
但遇到的问题不仅是传感器芯片一个,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,而市场上能采购到的成品元件性能很难直接满足团队的更高要求。要想在现有基础上研发更高性能的仪器,必须挨个攻克核心元件。还有很多基础功能元件,甚至需要团队重新开发。创业初始阶段,每天工作到凌晨3点是吕盼稂和团队的工作常态,「团队成员都很投入,大家特别兴奋地去挨个攻克难题。」目前,包括存储高速视频数据的存储控制器在内,团队基于这些元件的创新研发,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。当时,拥有同等性能并只有进口仪器1/2价格的高速摄像机,为吕盼稂团队逐渐赢得了市场口碑。随着我国在航空航天、科研等领域的研发深入,市场对高速摄像机性能的需求也越来越高,同时为了突破外国的垄断并不断满足国内研发需求,2018年,吕盼稂团队决定自己研发核心器件图像传感器芯片。与普通芯片不同,图像传感器芯片属于数模混合芯片,是芯片中最难的一种类型。团队铆足了劲,历经两年半的努力,才攻克了芯片传输信号不失真的最大难题。「这款芯片可以实现800万像素,每秒2,000帧的速度,是我国第一款可以达到这一级别的芯片,在国际亦可达到领先水平。」吕盼稂介绍,团队在研发芯片时对画面比例、动态范围等都做了优化,十分适合三维测量领域的产品应用。
而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,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。如今,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。