一臺(tái)傳統(tǒng)的相機(jī)

追光逐電，見所未見

定格轉(zhuǎn)瞬即逝的物體

應(yīng)用于多個(gè)典型場景

清晰記錄高鐵運(yùn)行過程

實(shí)時(shí)預(yù)警電力設(shè)備放電

清楚觀測(cè)高超聲速氣流

……

北大超高速脈沖相機(jī)

驚艷亮相國家“十三五”科技創(chuàng)新成就展

中共、、軍委主席10月26日下午在參觀國家“十三五”科技創(chuàng)新成就展時(shí)強(qiáng)調(diào)，堅(jiān)定創(chuàng)新自信緊抓創(chuàng)新機(jī)遇，加快實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)。

“當(dāng)前，我國已經(jīng)開啟全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國家新征程，科技創(chuàng)新在黨和國家發(fā)展全局中具有十分重要的地位和作用，全國廣大科技工作者要面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，堅(jiān)定創(chuàng)新自信，緊抓創(chuàng)新機(jī)遇，勇攀科技高峰，破解發(fā)展難題，自覺肩負(fù)起光榮歷史使命，加快實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)，為建設(shè)世界科技強(qiáng)國、實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興作出新的更大貢獻(xiàn)。

北大計(jì)算機(jī)學(xué)院

黃鐵軍教授團(tuán)隊(duì)牽頭完成

重大原始創(chuàng)新項(xiàng)目

脈沖視覺模型

打破現(xiàn)有用圖像記錄視覺信息的基本方式

而是把一組光子變成一個(gè)比特

把一個(gè)光的變化過程直接轉(zhuǎn)成一個(gè)比特流

實(shí)現(xiàn)了超高速攝像

百萬像素超高速脈沖相機(jī)

高速攝像服務(wù)國計(jì)民生

“追光逐電”一直是黃鐵軍教授團(tuán)隊(duì)追逐的目標(biāo)，如何讓飛速即逝的物體能夠定格并清晰地展示出來，這是目前困擾視覺芯片和系統(tǒng)行業(yè)應(yīng)用的難點(diǎn)和痛點(diǎn)。

超高速脈沖相機(jī)了圖像和視覺的固有思維，具有高速、實(shí)時(shí)、智能的特點(diǎn)，在高鐵實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、高頻電弧放電檢測(cè)、六馬赫風(fēng)洞觀測(cè)等場景中均有典型應(yīng)用。

應(yīng)用于高鐵

每秒4萬幀的超高速記錄

實(shí)現(xiàn)高鐵運(yùn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)

保證高鐵安全穩(wěn)定運(yùn)行

中國目前擁有世界上大的高速鐵路網(wǎng)，時(shí)速300公里的線路總里程超1.5萬公里，占世界2/3以上，未來高鐵速度更快，保證高鐵安全穩(wěn)定運(yùn)行特別重要。傳統(tǒng)視頻系統(tǒng)幀率低，無法實(shí)現(xiàn)高鐵運(yùn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。超高速脈沖相機(jī)可實(shí)現(xiàn)每秒4萬幀的超高速記錄，同時(shí)清晰記錄高鐵運(yùn)行過程，實(shí)時(shí)分析識(shí)別受電弓、路基、隧道等可能出現(xiàn)的異常情況。超高速脈沖相機(jī)拍攝兩列高鐵會(huì)車，相對(duì)速度700公里/小時(shí)，慢放后畫面細(xì)節(jié)清晰可見。

隨著高鐵列車速度提升，弓網(wǎng)沖擊振動(dòng)加劇，對(duì)電弧的高效準(zhǔn)確檢測(cè)和電弧類型分析識(shí)別，是判斷高鐵安全狀況的重要指標(biāo)。

應(yīng)用于電力行業(yè)

每秒記錄20,000次放電

完整記錄每秒18次電弧放電全過程

電力設(shè)備檢測(cè)實(shí)時(shí)預(yù)警

電網(wǎng)是一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)命脈，安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)乎國計(jì)民生。電力系統(tǒng)絕緣事故影響范圍廣，經(jīng)濟(jì)損失巨大。因此，對(duì)電力設(shè)備放電檢測(cè)有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。傳統(tǒng)的放電檢測(cè)方法易受到工作現(xiàn)場強(qiáng)電磁干擾且靈敏度不高，超高速脈沖相機(jī)具有高速全時(shí)成像的特點(diǎn)，可以完整記錄所有電弧的放電全過程，實(shí)時(shí)預(yù)警。

實(shí)驗(yàn)裝置中探針每秒放電18次，傳統(tǒng)相機(jī)只捕捉到10次放電且不完整。超高速脈沖相機(jī)每秒內(nèi)記錄了兩萬次，完整記錄了18次電弧放電全過程。

應(yīng)用于科研觀測(cè)

六馬赫（7350公里/小時(shí)）高超聲速靜風(fēng)洞

清晰觀測(cè)高超聲速流動(dòng)結(jié)構(gòu)

全流場的流動(dòng)顯示記錄

北京大學(xué)六馬赫（7350公里/小時(shí)）高超聲速靜風(fēng)洞是目前大的暫沖式高超聲速靜風(fēng)洞，可以模擬高超聲速飛行器真實(shí)飛行噪音環(huán)境，也具有表面壓力分布測(cè)量、PIV測(cè)試等能力。超高速脈沖相機(jī)可以清晰地觀測(cè)到高超聲速流動(dòng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行全流場的流動(dòng)顯示記錄，對(duì)開展復(fù)雜模型的空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究觀測(cè)有著重要的意義。

慢放畫面顯示了超高速氣流中，不同密度空氣相互作用產(chǎn)生激波，互相碰撞后逐漸消散。

重新“發(fā)明相機(jī)”的創(chuàng)新飛躍

“照相術(shù)的產(chǎn)生經(jīng)歷了漫長的歷史。”黃鐵軍介紹說，1827年，法國人約瑟夫·尼埃普斯采用他發(fā)明的“日光蝕刻法”，在白蠟板上敷上一層薄瀝青，然后利用陽光和原始鏡頭，曝光時(shí)間8小時(shí)，拍攝下了窗外的景色，這是人類的張照片。1839年，法國人L.J.M.達(dá)蓋爾發(fā)明銀版攝影法：鍍銀銅板暴露在碘或溴蒸汽里，產(chǎn)生一層均勻的鹵化銀感光表面，曝光需要半個(gè)小時(shí)左右，受到不同光強(qiáng)照射的鹵化銀分解程度不同，利用水銀蒸汽對(duì)曝光的銀鹽涂面進(jìn)行顯影。1888年，美國柯達(dá)公司生產(chǎn)出了新型感光材料“膠卷”：將溴化銀感光材料附著在塑料片上作為載體，曝光時(shí)間縮短到秒級(jí)別甚至毫秒級(jí)。

銀版照相法拍攝的一位程序員Ada Lovelace，攝于1845年

如果說膠卷的誕生是照相法“化學(xué)時(shí)代”中具有里程碑意義的飛躍，那么20世紀(jì)20年代電視的發(fā)明及普及代表了視覺成像的“電子時(shí)代”，21世紀(jì)初期數(shù)碼相機(jī)的誕生的是“數(shù)字時(shí)代”，2010年以后智能手機(jī)中照相機(jī)的普及則代表的是“智能時(shí)代”。

盡管技術(shù)不斷翻新，但其實(shí)只是剪掉了膠片這個(gè)“小辮子”，并未改變采用圖像和視頻記錄光這種基本方式。圖像意味著曝光這段時(shí)間光的變化過程“坍塌”為靜止畫面，而視頻也只是每秒數(shù)十幅靜態(tài)圖像，無法記錄速度高于幀率的物理現(xiàn)象，也不能做到連續(xù)成像，兩幀圖像曝光之間的間隔時(shí)段甚至*丟失。

“這些問題在膠片時(shí)代是沒法解決的，但在電子時(shí)代、數(shù)字時(shí)代和智能時(shí)代是*可以解決的，只是人們都被化學(xué)時(shí)代形成的圖像和視頻思維定式禁錮住了，‘心中的辮子’已經(jīng)成為禁錮視覺技術(shù)創(chuàng)新的瓶頸。”

黃鐵軍教授團(tuán)隊(duì)的重大原始創(chuàng)新項(xiàng)目“超高速脈沖相機(jī)”就是要*剪去“心中的辮子”，圖像和視覺的固有思維。

脈沖相機(jī)模擬靈長類視網(wǎng)膜編碼原理，每個(gè)像素獨(dú)立將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成比特流，準(zhǔn)確、完整記錄光的時(shí)空變化過程，了沿用近兩個(gè)世紀(jì)的圖像和視頻概念，有望從源頭重塑包括采集、表示、編碼、檢測(cè)、跟蹤和識(shí)別在內(nèi)的整個(gè)視覺信息處理體系。

超高速脈沖相機(jī)的技術(shù)原理：從光子流到比特流

在探索視覺信息處理新路徑的過程中，黃鐵軍教授團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院和醫(yī)學(xué)部深度合作，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研制出超高速脈沖視覺感知芯片、相機(jī)和系統(tǒng)，兩款超高速脈沖視覺感知芯片和相機(jī)的空間分辨率分別為10萬像素（400*250）和100萬像素（1000*1000），時(shí)域采樣率為4萬赫茲，打破了“幀率天花板”，比傳統(tǒng)視頻快千倍，實(shí)現(xiàn)了超高速連續(xù)成像和高速目標(biāo)實(shí)時(shí)檢測(cè)跟蹤識(shí)別。目前，整套項(xiàng)目已經(jīng)收獲了26項(xiàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，其中包括2款芯片、2項(xiàng)軟件著作權(quán)和中美日韓等國。

獲得中美日韓等國家和歐洲的

盡管技術(shù)原理具有性突破，超高速脈沖相機(jī)的研發(fā)卻無需“另起爐灶”，它的“高性能”建立在“高成熟”光電器件基礎(chǔ)上，能夠適應(yīng)多種光照環(huán)境，更加適合機(jī)器視覺任務(wù)的實(shí)時(shí)化、全天候、多環(huán)境應(yīng)用，在成熟的CMOS圖像傳感芯片生產(chǎn)線即可生產(chǎn)。

“脈沖視覺技術(shù)在視覺領(lǐng)域圖像和視頻，類似移動(dòng)通信領(lǐng)域CDMAGSM，未來有可能會(huì)引發(fā)視頻和視覺產(chǎn)業(yè)的重新洗牌。”

讓脈沖相機(jī)飛入尋常百姓家

在黃鐵軍的心目中，希望讓這項(xiàng)含金量*的重大原始創(chuàng)新項(xiàng)目落地應(yīng)用，將所有相機(jī)都替換成脈沖相機(jī)，讓所有視覺應(yīng)用走向光速，讓高速攝像飛入尋常百姓家，創(chuàng)造更多的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

“首先，我們要形成脈沖相機(jī)技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和標(biāo)準(zhǔn)體系。脈沖視覺模型、芯片和基于該體系的脈沖視覺算法是全新視覺技術(shù)體系，發(fā)揮器件、芯片、算法、應(yīng)用多個(gè)層面的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，加快形成脈沖相機(jī)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和標(biāo)準(zhǔn)體系，培養(yǎng)一批專門人才，帶動(dòng)行業(yè)發(fā)展，建立中國的視覺技術(shù)流派和產(chǎn)業(yè)體系。”

“第二，破解傳統(tǒng)高速相機(jī)困局，開辟新的應(yīng)用場景，創(chuàng)造新的產(chǎn)業(yè)增長點(diǎn)。超高速脈沖視覺芯片具有低功耗、低冗余、高時(shí)間分辨率的特性，適應(yīng)多種光照環(huán)境等特性，使得它在工業(yè)制造、國防、交通、體育等眾多行業(yè)展現(xiàn)出應(yīng)用潛力，有望創(chuàng)造新的應(yīng)用場景，上下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)也將受帶動(dòng)效應(yīng)迎來多輪增長。”

“第三，項(xiàng)目將帶動(dòng)半導(dǎo)體等相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。超高速脈沖視覺芯片采用成熟集成電路工藝就能生產(chǎn)，‘點(diǎn)石成金’般實(shí)現(xiàn)高速視覺，對(duì)所有視頻和視覺應(yīng)用都將帶來深刻影響，應(yīng)用推廣將為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)帶來強(qiáng)大需求，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。”

為了推動(dòng)北大人的科研原始創(chuàng)新項(xiàng)目盡快服務(wù)國家重大戰(zhàn)略，早日實(shí)現(xiàn)這些社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研深度融合發(fā)展，10月20日，北京大學(xué)和北大科技成果轉(zhuǎn)化基金聯(lián)合孵化的脈沖視覺（北京）科技有限公司正式注冊(cè)成立，同時(shí)啟動(dòng)了超高速脈沖相機(jī)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

北京大學(xué)科技成果轉(zhuǎn)化基金是由北京大學(xué)、北京市科技創(chuàng)新基金以及其他多家投資機(jī)構(gòu)共同發(fā)起設(shè)立的北京大學(xué)支科技成果轉(zhuǎn)化基金。作為耐心資本，基金將聚焦“硬技術(shù)”領(lǐng)域，以原始創(chuàng)新為主要投資階段，致力于推動(dòng)科技成果轉(zhuǎn)化，助力國家創(chuàng)新能力提升。

國家“十三五”科技創(chuàng)新成就展

北京大學(xué)“超高速脈沖相機(jī)”項(xiàng)目展臺(tái)

黃鐵軍由衷地表示：

面壁十年圖破壁，不做加法做減法，回到問題源頭，才能實(shí)現(xiàn)更大突破。

數(shù)碼相機(jī)剪掉了物理膠片的“辮子”，但沒剪掉“心中的膠片”。脈沖相機(jī)沿用近兩個(gè)世紀(jì)的圖像和視頻思維定勢(shì)，完成數(shù)碼相機(jī)尚未完成的數(shù)字化革命，釋放出光電器件和芯片的高速能力，點(diǎn)石成金，追光逐電，開創(chuàng)視覺技術(shù)全新天地，這從一個(gè)側(cè)面詮釋了“北大是常為新的”。