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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光源裝置將成像實驗的時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前沿科學研究，但是，實驗站將面臨隨之而來的海量圖像處理需求的嚴峻挑戰(zhàn)。據(jù)估計，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）等先進光源的年數(shù)據(jù)通量將正式步入「Exascale」時代。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驗中圖像相關(guān)性分析、融合和分割的復(fù)雜度急劇增加；原位動態(tài)實驗對高性能的圖像降噪與信號增強算法的開發(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)約簡方法，以緩解給存儲和計算端帶來的壓力。

為了迎接上述挑戰(zhàn)，使圖像數(shù)據(jù)處理不再成為先進光源實驗的桎梏，團隊對先進光源、神經(jīng)科學、冷凍電鏡、自動駕駛等多種數(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行了調(diào)研與綜述。文章從快速動態(tài)實驗在線特征提取、多模態(tài)成像數(shù)據(jù)融合、降噪與信號增強等典型需求出發(fā)，對傳統(tǒng)圖像處理手段與人工智能在先進光源實驗圖像數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用前景進行了比較和論述。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，負責科學目標確定、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行的美國的APS、歐洲的ESRF、日本的SPring-8、德國的Petra-III(及其升級工程) 一起，構(gòu)成世界五大高能同步輻射光源。HEPS 將為材料科學、化學工程、能源環(huán)境、生物醫(yī)學、航空航天等眾多基礎(chǔ)和工程科學研究領(lǐng)域提供先進的實驗平臺，為我國在與經(jīng)濟社會發(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月啟動開工建設(shè)

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

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