近日，Nature Reviews Physics在線刊發了中國科學院高能物理研究所董宇輝研究員課題組題為《新一代先進光源裝置的EB量級圖像處理》（Exascale image processing for next-generation beamlines in advanced light sources）的短篇評述。
新一代同步輻射光源和X射線自由電子雷射等先進光源裝置將成像實驗的時間和空間解析度推向新的極限，使得跨尺度、多模態、原位動態化的樣品表徵成為可能。儘管表徵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。據估計，我國正在建設的高能同步輻射光源（HEPS）與硬X射線自由電子雷射裝置（SHINE）等先進光源的年數據通量將正式步入「Exascale」時代。由於數據維度和模態的增加，跨尺度與多功能成像實驗中圖像相關性分析、融合和分割的複雜度急劇增加；原位動態實驗對高性能的圖像降噪與信號增強算法的開發需求也將日益增長；數據量的爆發性增長迫切需要高效的在線數據約簡方法，以緩解給存儲和計算端帶來的壓力。
為了迎接上述挑戰，使圖像數據處理不再成為先進光源實驗的桎梏，團隊對先進光源、神經科學、冷凍電鏡、自動駕駛等多種數據密集型的研究領域所用到的前沿圖像處理手段進行了調研與綜述。文章從快速動態實驗在線特徵提取、多模態成像數據融合、降噪與信號增強等典型需求出發，對傳統圖像處理手段與人工智慧在先進光源實驗圖像數據處理的應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據採集與分析軟體框架相結合是解決光源海量圖像數據處理挑戰的最佳途徑。
本文的通訊作者為董宇輝研究員，「十三五」國家重大科技基礎設施「高能同步輻射光源」常務副總指揮，負責科學目標確定、光束線站建設和技術研發。HEPS於2025年建成後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、能源環境、生物醫學、航空航天等眾多基礎和工程科學研究領域提供先進的實驗平台，為我國在與經濟社會發展及工業核心需求相關的戰略性研究領域取得突破性創新，提供強有力的支撐。
在提升光源硬體水平的同時，科學軟體體系的競爭已成為國內外先進裝置科研活動角逐的焦點之一。作為中國第一台第四代同步輻射光源，HEPS在建設之初就率先在國內進行了相關部署，啟動了面向下一代先進光源類大裝置軟體框架與生態體系研製項目。目前，由HEPS光束線軟體團隊負責的大型實驗控制與數據採集軟體框架（Mamba）、高能所計算中心負責的高性能在線數據分析軟體框架（Daisy）及科學數據管理軟體框架等項目研製取得了突出進展，與美國能源部旗下五大光源設施聯合啟動的「Data Solution Task Force」、歐盟第七框架計劃資助的PaNdata「光子和中子數據基礎設施」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體框架與生態體系，有望解決我國先進光源大科學裝置領域對國外軟體框架和系統的高度依賴，推動我國本領域科學軟體發展，培養一支有國際競爭力的人才隊伍。
上述研究得到了中科院戰略性先導專項（XDB37000000）與高能物理研究所科技創新項目（E25455U210）支持。
文章連結：
https://www.nature.com/articles/s42254-022-00465-z
文章信息：
Dong, Y., Li, C., Zhang, Y. et al. Exascale image processing for next-generation beamlines in advanced light sources. Nat Rev Phys (2022). https://doi.org/10.1038/s42254-022-00465-z
封面圖來源：Nature Reviews Physics
--作者供稿