◎張民宣

更大視場(chǎng)、更高分辨、更強(qiáng)處理

科學(xué)必須眼見(jiàn)為實(shí)，能夠看到的世界才是能被感知、能被經(jīng)驗(yàn)的世界，才是有意義的世界?？茖W(xué)和知識(shí)的邊界決定于我們能夠看到的范圍，即使有時(shí)理論能夠比觀測(cè)超前半步，仍然必須等待觀測(cè)的證實(shí)或證偽。而自從伽利略把望遠(yuǎn)鏡指向浩瀚星空，列文虎克把顯微鏡對(duì)準(zhǔn)微生物，人類的觀測(cè)能力就超越了肉眼的局限，轉(zhuǎn)而依靠不斷進(jìn)化的儀器。自1901年諾貝爾獎(jiǎng)開(kāi)始頒發(fā)以來(lái)，大約1/3的物理學(xué)獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了觀測(cè)技術(shù)、觀測(cè)方法和觀測(cè)儀器方面的杰出貢獻(xiàn)。

2009年，戴瓊海曾帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)的十六七位博士，在深圳進(jìn)行了一次為期一個(gè)半月、專門的科學(xué)文獻(xiàn)調(diào)研，通過(guò) 《Nature》、《Science》、《Cell》等頂級(jí)科學(xué)刊物，系統(tǒng)研究生命科學(xué)的研究前沿和發(fā)展瓶頸。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，生命科學(xué)，尤其是腦科學(xué)，發(fā)展的主要瓶頸就是 “看不見(jiàn)”。對(duì)器官的觀測(cè)需要厘米級(jí)的視場(chǎng)，而對(duì)細(xì)胞的觀測(cè)則需要微米級(jí)的分辨率。比如小鼠的大腦大約是1厘米左右的尺度，而神經(jīng)元是約10微米的尺度。一般顯微鏡可以進(jìn)行細(xì)胞尺度的觀測(cè)，但無(wú)法同時(shí)監(jiān)測(cè)器官的整體運(yùn)行；磁共振、CT、X光等成像手段可以觀測(cè)器官的功能，但無(wú)法同時(shí)看到細(xì)胞的活動(dòng)和功能的實(shí)現(xiàn)。兼顧兩者，就必須要有快速、高分辨、大視場(chǎng)的新觀測(cè)手段。

如果有這樣的手段，生命科學(xué)家無(wú)疑將神兵在手，捕捉器官和生物機(jī)體運(yùn)作的全面信息就變得更加可能，無(wú)數(shù)今天看來(lái)復(fù)雜到難以獲知的生命機(jī)理都將變得可觀測(cè)。即使復(fù)雜如大腦的運(yùn)作，只要系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)在手，也許工作量巨大，但建模和理解都將成為可能。

然而，既然是神兵利器，那就不可能輕易得到。首先，高分辨和大視場(chǎng)就是成像技術(shù)的一對(duì)核心矛盾，分辨率高，視場(chǎng)就??；視場(chǎng)放大，分辨率就要犧牲。其次，即使解決了這個(gè)矛盾，那也意味著每幀圖像都包含巨大的數(shù)據(jù)量，要實(shí)現(xiàn)連續(xù)的動(dòng)態(tài)觀測(cè)，就必須實(shí)現(xiàn)極高的數(shù)據(jù)通量和處理速度。兩個(gè)層次的難題合起來(lái)就成為一個(gè)極為艱巨的工程挑戰(zhàn)。

戴瓊海，民革黨員，中國(guó)工程院院士，清華大學(xué)自動(dòng)化系教授。2005年獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委杰出青年基金，2009年受聘教育部 “長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”特聘教授，2010年973項(xiàng)目首席科學(xué)家，2014年入選國(guó)家 “新世紀(jì)百千萬(wàn)人才工程”，2017全國(guó)創(chuàng)新?tīng)?zhēng)先獎(jiǎng)獲得者。

主要學(xué)術(shù)方向?yàn)槿斯ぶ悄芎凸鈱W(xué)工程。長(zhǎng)期致力于該研究領(lǐng)域的理論和關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，主持承擔(dān)了國(guó)家科技部重大基礎(chǔ)研究973項(xiàng)目和國(guó)家基金委重大儀器項(xiàng)目，負(fù)責(zé)研制了立體視頻重建與顯示和新一代立體視覺(jué)理論與關(guān)鍵技術(shù)等，分別在2016年獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、2012年獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)和2008年獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。

近年來(lái)主要從事信息交叉科學(xué)的研究——計(jì)算攝像學(xué)。目前承擔(dān)國(guó)家重大儀器項(xiàng)目：多維多尺度計(jì)算攝像儀器，旨在提供從亞細(xì)胞、組織到器官的多尺度動(dòng)態(tài)觀測(cè)工具，希望突破百萬(wàn)級(jí)腦神經(jīng)連接的觀測(cè)，揭示神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能等腦科學(xué)重要規(guī)律，為創(chuàng)建新一代神經(jīng)計(jì)算方法 （表達(dá)、轉(zhuǎn)換和規(guī)則）提供支撐。

一個(gè)女孩只要足夠美麗，不論多么高冷都不會(huì)缺少追求者。同樣，一個(gè)難題，只要意義足夠重大，不論難度多高都不會(huì)缺少為之奮斗的科學(xué)家。2013年，加州理工學(xué)院的科學(xué)家研制出了視場(chǎng)10×10mm2、分辨率0.78μm的儀器，但成像速率僅180秒/幀，無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測(cè)；2014年麻省理工學(xué)院的科學(xué)家研制出成像速率0.03秒/幀，分辨率1.4μm的儀器，但視場(chǎng)縮小到了0.7×0.7×0.2mm3；2015年，霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所做出了視場(chǎng) 0.8×0.8×0.8mm3， 分辨率 1.1μm， 成像速率0.5秒/幀的儀器；2016年，北卡羅來(lái)納大學(xué)醫(yī)學(xué)院做出了視場(chǎng)3.5×3.5mm2，分辨率1.1μm，成像速率10秒/幀的儀器。眾多來(lái)自頂級(jí)科研機(jī)構(gòu)的科學(xué)家使用不同的技術(shù)路線、不同的原理都做出了卓越的工作，但問(wèn)題仍然沒(méi)有得到全面的突破，三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)無(wú)論如何權(quán)衡都難以同時(shí)滿足需求。直到2017年，由戴瓊海團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)，聯(lián)合15個(gè)光機(jī)工廠、2個(gè)電子工廠，歷時(shí)4年，制造出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，視場(chǎng)10×12mm2，分辨率0.8μm，成像速率30幀/秒的大視場(chǎng)高速高分辨光學(xué)顯微鏡，實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)、高分辨的連續(xù)動(dòng)態(tài)成像。

這臺(tái)顯微鏡，目前就擺在清華大學(xué)中央主樓7樓的實(shí)驗(yàn)室里，供清華生命科學(xué)學(xué)院、中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院等機(jī)構(gòu)的眾多生命科學(xué)家和醫(yī)學(xué)家進(jìn)行病理學(xué)、腦科學(xué)研究使用。而新的機(jī)器也已經(jīng)在建造中，即將被送到更多的科研機(jī)構(gòu)，用作科學(xué)家們探索未知的最新武器。

自知和自信的智慧平衡

戴瓊海2017年當(dāng)選為中國(guó)工程院院士。被評(píng)選為院士，通常并非基于最新的科研成就，而是基于過(guò)往的，已經(jīng)經(jīng)過(guò)時(shí)間驗(yàn)證，得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生重大影響的成就。

現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)視頻一般都是在線觀看，但年紀(jì)稍大的人可能還記得，較早期的互聯(lián)網(wǎng)，通常是先下載后觀看。這個(gè)轉(zhuǎn)變發(fā)生的基礎(chǔ)就是流媒體技術(shù)，也就是將視頻處理，并拆分為一個(gè)個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)包的技術(shù)。戴瓊海最初的研究領(lǐng)域是視頻處理，研究成果 “基于融合網(wǎng)絡(luò)的流媒體新技術(shù)”，被授予了國(guó)家科技發(fā)明二等獎(jiǎng)。

如果您已經(jīng)在一個(gè)領(lǐng)域做出了杰出成就，完成了主要挑戰(zhàn)，成為了領(lǐng)域內(nèi)的權(quán)威，您將繼續(xù)在這個(gè)領(lǐng)域深耕，精益求精，還是選擇離開(kāi)這個(gè)領(lǐng)域，尋求新的挑戰(zhàn)？戴瓊海的選擇是后者。2000年左右，他離開(kāi)了自己熟悉精通、成就卓越、但已經(jīng)沒(méi)有了重大挑戰(zhàn)的視頻處理領(lǐng)域，轉(zhuǎn)向了立體視頻的研究。當(dāng)時(shí)，立體視頻剛剛興起，但內(nèi)容還很少。要提供更多的立體視頻內(nèi)容，或者通過(guò)對(duì)原有的二維視頻轉(zhuǎn)置，或者通過(guò)拍攝更多新的內(nèi)容。開(kāi)發(fā)立體視頻技術(shù)需要計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究能力，這在當(dāng)時(shí)是一個(gè)新興學(xué)科，需要研究者同時(shí)在微分幾何和計(jì)算機(jī)編程上都有深厚的功底，而戴瓊海的專業(yè)背景正是數(shù)學(xué)和信息學(xué)，同時(shí)在做視頻編碼技術(shù)時(shí)，已經(jīng)對(duì)二維視頻的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)有了深入的研究。在這一領(lǐng)域，他的研究成果 “立體視頻重建與顯示技術(shù)及裝置”后來(lái)獲得了2012年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。原來(lái)制作電影特效時(shí)，由演員身上貼著白點(diǎn)在藍(lán)幕前表演，采集動(dòng)作的拍攝方式已經(jīng)成為歷史，在戴瓊海和他的團(tuán)隊(duì)搭建的技術(shù)平臺(tái)上，已經(jīng)直接實(shí)現(xiàn)多臺(tái)攝影機(jī)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和立體圖像的融合重建，這些的技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了電影作品拍攝之中。

戴瓊海實(shí)驗(yàn)室門外的專利墻，每一塊展示頁(yè)都是一項(xiàng)專利。

傳統(tǒng)的拍攝都是三維物體投影到二維的成像平面上，所有的照片都是二維的。三維視頻則是通過(guò)算法對(duì)二維圖像進(jìn)行處理的結(jié)果。其實(shí)照相機(jī)采集到的光本來(lái)就是包含三維信息的，只是成像被投影為二維圖像，那么如果把圖像編碼過(guò)程前置到成像階段，在成像時(shí)是否就可以直接將光所包含的三維信息進(jìn)行編碼呢？這就是計(jì)算攝像學(xué)。戴瓊海和他的團(tuán)隊(duì)在三維視頻重建技術(shù)之后，就轉(zhuǎn)向計(jì)算攝像學(xué)的研究。從算法研究轉(zhuǎn)向了算法和儀器的同步推進(jìn)，其最新的成果就是前文所述的大視場(chǎng)高速高分辨光學(xué)顯微鏡。

事實(shí)上，戴瓊海的實(shí)驗(yàn)室和研究團(tuán)隊(duì)的研究領(lǐng)域一直在不斷演進(jìn)。當(dāng)前，他們的顯微鏡已經(jīng)走到了世界領(lǐng)先的位置上，除了繼續(xù)改進(jìn)、強(qiáng)化這一技術(shù)，他們的研究已經(jīng)處在下一輪轉(zhuǎn)向中。首先是腦科學(xué)研究。當(dāng)前美國(guó)、歐盟、日本和我國(guó)都已經(jīng)相繼推出了各自的腦科學(xué)計(jì)劃，不僅將是生命科學(xué)的新高峰，還將為未來(lái)的人工智能技術(shù)奠定科學(xué)基礎(chǔ)。而對(duì)大腦不同腦區(qū)，神經(jīng)回路功能性連接的研究，最重要的研究工具之一就是戴瓊海團(tuán)隊(duì)的大視場(chǎng)高速高分辨光學(xué)顯微鏡技術(shù)，憑借研究工具的領(lǐng)先，戴瓊海的團(tuán)隊(duì)和與之合作的我國(guó)腦科學(xué)家已經(jīng)占據(jù)了先機(jī)。另外一個(gè)研究方向是光電計(jì)算。今天的電子計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度提升已經(jīng)逐步走入瓶頸，運(yùn)算速度的提升，將會(huì)帶來(lái)能耗的上升，而在密集的集成電路上高能耗帶來(lái)的散熱問(wèn)題是難以克服的。要呈數(shù)量級(jí)地降低能耗，提升速度，就必須引入新的原理，其中一個(gè)重要的潛在方向就是光電計(jì)算機(jī)，以光子取代電子作為未來(lái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行基礎(chǔ)。

科研工作者者研究領(lǐng)域的轉(zhuǎn)向有點(diǎn)像普通人改變自己的職業(yè)。敢于主動(dòng)轉(zhuǎn)換職業(yè)的人，尤其是在原有職業(yè)中已經(jīng)有不菲的成就和積累還會(huì)主動(dòng)轉(zhuǎn)換職業(yè)的人，一定有強(qiáng)烈的進(jìn)取心和強(qiáng)大的自信心。而在新的職業(yè)中能否繼續(xù)杰出成就則會(huì)考驗(yàn)他對(duì)自己知識(shí)能力的自知和對(duì)新職業(yè)需求的把握。當(dāng)代的科學(xué)研究已經(jīng)是一個(gè)復(fù)雜龐大的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，在每一個(gè)普通人聞所未聞的研究領(lǐng)域中，都有一大批杰出的科學(xué)家在協(xié)同工作。每一位科學(xué)家都處在細(xì)分的研究領(lǐng)域中，切換研究領(lǐng)域則經(jīng)常意味著從大神變回新手。戴瓊海不僅多次主動(dòng)轉(zhuǎn)換研究領(lǐng)域，而且還都是在原有領(lǐng)域已經(jīng)取得重大成就之后，又在新的領(lǐng)域做出更大成就。在戴瓊海的學(xué)生吳嘉敏博士看來(lái)，這不僅意味著不斷邁向未知領(lǐng)域的勇氣和自信，更重要的對(duì)自身知識(shí)結(jié)構(gòu)和研究稟賦的準(zhǔn)確把握，和對(duì)未來(lái)學(xué)術(shù)前沿和重心的精準(zhǔn)預(yù)見(jiàn)， “這是一種高超的智慧”。

嚴(yán)格的教育者，溫情的老師

杰出的成就當(dāng)然不只來(lái)自智慧的選擇，還需要非凡的勤奮。在戴瓊海的實(shí)驗(yàn)室里，哪怕是節(jié)假日，也一直有博士、博士后在通宵達(dá)旦地工作。但在喬暉博士眼中，其中最勤奮的人無(wú)疑就是戴瓊海自己。他印象中的戴老師幾乎總處在一種忘我、無(wú)我的工作狀態(tài)中，尤其在儀器攻關(guān)階段， “連續(xù)一個(gè)多月，戴老師就住在實(shí)驗(yàn)室里，所有學(xué)生見(jiàn)到他，他都在工作。我們不在實(shí)驗(yàn)室時(shí)，還經(jīng)常在后半夜接到戴老師的信息。我們給戴老師發(fā)信息，無(wú)論什么時(shí)間，幾乎都會(huì)馬上得到回復(fù)。所以我們完全不知道戴老師到底在什么時(shí)間休息，他好像完全不休息。”

戴瓊海實(shí)驗(yàn)室所研制的大視場(chǎng)、高速、高分辨顯微攝像儀器。

學(xué)生眼中的老師和老師眼中的學(xué)生，有時(shí)是一個(gè)有趣的組合。在學(xué)生眼中，來(lái)自戴老師的指導(dǎo)和要求是至關(guān)重要的，他如同雁陣的頭雁，既提供方向的指引，又提供飛翔的助力。他會(huì)經(jīng)常性的檢查每一個(gè)學(xué)生的研究進(jìn)展，研討工作中遭遇的問(wèn)題和困難，提供方向和思路的指引。他對(duì)不同階段的學(xué)生，會(huì)提出不同的要求。對(duì)低年級(jí)的博士研究生，他會(huì)提出全面加強(qiáng)物理學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)的理學(xué)素養(yǎng)的學(xué)習(xí)計(jì)劃。對(duì)高年級(jí)的學(xué)生，他要求他們必須到國(guó)外頂尖科研機(jī)構(gòu)交換學(xué)習(xí)一到兩年。這些要求都是嚴(yán)格的、硬性的，既要強(qiáng)基礎(chǔ)，重素養(yǎng)，又必須廣泛交流，建立前沿視野。他極為注重在團(tuán)隊(duì)中營(yíng)造和鼓勵(lì)廣泛交流和合作的氣氛，他還經(jīng)常邀請(qǐng)國(guó)際一流的研究者來(lái)到實(shí)驗(yàn)室交流訪問(wèn)，為學(xué)生提供最好的研究條件。

在老師眼中，他的學(xué)生個(gè)個(gè)都優(yōu)秀，嚴(yán)格要求只是激發(fā)他們既有的卓越才智，而以他們的才智和勤奮，取得出色的成就是必然的。在研究中，他的理念是 “理學(xué)思維、工科實(shí)踐”。他提倡的是學(xué)生的自由思考和自由組合，因?yàn)樵谘芯康那把兀嫦虻氖俏粗氖澜?，是沒(méi)有既成的路可走的，前進(jìn)是一個(gè)不斷試錯(cuò)、迭代的過(guò)程，研究成果來(lái)自自由的探索，而非權(quán)威的指令。他的學(xué)生，要提出重要的問(wèn)題，別人想不到的問(wèn)題，然后提出自己的思路，再把這個(gè)思路像講故事一樣講給老師，講給需要的合作者，建立起研究團(tuán)隊(duì)。在戴瓊海的眼中，從問(wèn)題出發(fā)才是創(chuàng)新，自己的學(xué)生必須是立足于創(chuàng)新的，任何對(duì)別人的跟隨都只能是一種訓(xùn)練，而不是真正的工作。所以他在和學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間的討論之后，給出否定的意見(jiàn)最可能的原因就是學(xué)生的問(wèn)題還沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)關(guān)鍵，所作的工作可能是僅是對(duì)別人的跟隨。

筆者在采訪中還觀察到了一個(gè)細(xì)節(jié)，戴瓊海在講述自己的研究工作時(shí)幾乎不太使用形容詞，一直保持理性、平實(shí)的語(yǔ)言風(fēng)格。而在介紹學(xué)生時(shí)，則明顯增加了感情色彩，不僅對(duì)學(xué)生們的成就如數(shù)家珍，敘述中也帶上了諸如優(yōu)秀、出色、重要等形容詞，流露出滿滿的自豪。

筆者在采訪中，還曾經(jīng)問(wèn)介紹實(shí)驗(yàn)室工作的謝浩博士，他認(rèn)為戴老師最重要的成就應(yīng)該是哪一個(gè)。他不假思索， “肯定是下一個(gè)”。

期待戴瓊海的下一個(gè)科研成就。