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?！按蠹夜ぷ鞫己苤鲃?dòng)，特別投入，并且特別興奮地挨個(gè)攻克難題。”那段時(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?！爱?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)。”為了突破壟斷并滿足國內(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。“傳感器芯片是芯片中最難的一種類型，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?，呂盼稂團(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。“這款芯片針對(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。“之前他們找了好多單位都無法達(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。“在這些領(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(jiǎn)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。