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新一代同步輻射光源和X射線自由電子激光等先進(jìn)光源裝置將成像實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和空間分辨率推向新的極限，使得跨尺度、多模態(tài)、原位動(dòng)態(tài)化的樣品表征成為可能。盡管表征能力的提升將極大地推動(dòng)前沿科學(xué)研究，但是，實(shí)驗(yàn)站將面臨隨之而來的海量圖像處理需求的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。據(jù)估計(jì)，我國正在建設(shè)的高能同步輻射光源（HEPS）與硬X射線自由電子激光裝置（SHINE）等先進(jìn)光源的年數(shù)據(jù)通量將正式步入「Exascale」時(shí)代。由于數(shù)據(jù)維度和模態(tài)的增加，跨尺度與多功能成像實(shí)驗(yàn)中圖像相關(guān)性分析、融合和分割的復(fù)雜度急劇增加；原位動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)對(duì)高性能的圖像降噪與信號(hào)增強(qiáng)算法的開發(fā)需求也將日益增長；數(shù)據(jù)量的爆發(fā)性增長迫切需要高效的在線數(shù)據(jù)約簡(jiǎn)方法，以緩解給存儲(chǔ)和計(jì)算端帶來的壓力。

為了迎接上述挑戰(zhàn)，使圖像數(shù)據(jù)處理不再成為先進(jìn)光源實(shí)驗(yàn)的桎梏，團(tuán)隊(duì)對(duì)先進(jìn)光源、神經(jīng)科學(xué)、冷凍電鏡、自動(dòng)駕駛等多種數(shù)據(jù)密集型的研究領(lǐng)域所用到的前沿圖像處理手段進(jìn)行了調(diào)研與綜述。文章從快速動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)在線特征提取、多模態(tài)成像數(shù)據(jù)融合、降噪與信號(hào)增強(qiáng)等典型需求出發(fā)，對(duì)傳統(tǒng)圖像處理手段與人工智能在先進(jìn)光源實(shí)驗(yàn)圖像數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用前景進(jìn)行了比較和論述。文章最終提到，前沿圖像處理算法與新一代大裝置數(shù)據(jù)采集與分析軟件框架相結(jié)合是解決光源海量圖像數(shù)據(jù)處理挑戰(zhàn)的最佳途徑。

本文的通訊作者為董宇輝研究員，「十三五」國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施「高能同步輻射光源」常務(wù)副總指揮，負(fù)責(zé)科學(xué)目標(biāo)確定、光束線站建設(shè)和技術(shù)研發(fā)。HEPS于2025年建成后將成為世界上最亮的同步輻射光源之一，它將與世界上正在運(yùn)行的美國的APS、歐洲的ESRF、日本的SPring-8、德國的Petra-III(及其升級(jí)工程) 一起，構(gòu)成世界五大高能同步輻射光源。HEPS 將為材料科學(xué)、化學(xué)工程、能源環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等眾多基礎(chǔ)和工程科學(xué)研究領(lǐng)域提供先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為我國在與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展及工業(yè)核心需求相關(guān)的戰(zhàn)略性研究領(lǐng)域取得突破性創(chuàng)新，提供強(qiáng)有力的支撐。

圖1 HEPS光源建設(shè)情況(a)（HEPS工程辦 袁廣攝）及效果示意圖(b)。該光源于2019年6月啟動(dòng)開工建設(shè)

在提升光源硬件水平的同時(shí)，科學(xué)軟件體系的競(jìng)爭(zhēng)已成為國內(nèi)外先進(jìn)裝置科研活動(dòng)角逐的焦點(diǎn)之一。作為中國第一臺(tái)第四代同步輻射光源，HEPS在建設(shè)之初就率先在國內(nèi)進(jìn)行了相關(guān)部署，啟動(dòng)了面向下一代先進(jìn)光源類大裝置軟件框架與生態(tài)體系研制項(xiàng)目。目前，由HEPS光束線軟件團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)的大型實(shí)驗(yàn)控制與數(shù)據(jù)采集軟件框架（Mamba）、高能所計(jì)算中心負(fù)責(zé)的高性能在線數(shù)據(jù)分析軟件框架（Daisy）及科學(xué)數(shù)據(jù)管理軟件框架等項(xiàng)目研制取得了突出進(jìn)展，與美國能源部旗下五大光源設(shè)施聯(lián)合啟動(dòng)的「Data Solution Task Force」、歐盟第七框架計(jì)劃資助的PaNdata「光子和中子數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施」等項(xiàng)目進(jìn)展保持同步，未來將形成自主可控的貫穿實(shí)驗(yàn)全生命周期的先進(jìn)光源軟件框架與生態(tài)體系，有望解決我國先進(jìn)光源大科學(xué)裝置領(lǐng)域?qū)廛浖蚣芎拖到y(tǒng)的高度依賴，推動(dòng)我國本領(lǐng)域科學(xué)軟件發(fā)展，培養(yǎng)一支有國際競(jìng)爭(zhēng)力的人才隊(duì)伍。

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