戴瓊海：看見真實(shí)的世界

◎張民宣

更大視場、更高分辨、更強(qiáng)處理

科學(xué)必須眼見為實(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)和知識的邊界決定于我們能夠看到的范圍，即使有時理論能夠比觀測超前半步，仍然必須等待觀測的證實(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準(zhǔn)微生物，人類的觀測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年諾貝爾獎開始頒發(fā)以來，大約1/3的物理學(xué)獎和化學(xué)獎頒給了觀測技術(shù)、觀測方法和觀測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)行了一次為期一個半月、專門的科學(xué)文獻(xiàn)調(diào)研，通過 《Nature》、《Science》、《Cell》等頂級科學(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”。對器官的觀測需要厘米級的視場，而對細(xì)胞的觀測則需要微米級的分辨率。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，但無法同時監(jiān)測器官的整體運(yùn)行；磁共振、CT、X光等成像手段可以觀測器官的功能，但無法同時看到細(xì)胞的活動和功能的實(shí)現(xiàn)。兼顧兩者，就必須要有快速、高分辨、大視場的新觀測手段。

如果有這樣的手段，生命科學(xué)家無疑將神兵在手，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，無數(shù)今天看來復(fù)雜到難以獲知的生命機(jī)理都將變得可觀測。即使復(fù)雜如大腦的運(yùn)作，只要系統(tǒng)的觀測數(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，高分辨和大視場就是成像技術(shù)的一對核心矛盾，分辨率高，視場就小；視場放大，分辨率就要犧牲。其次，即使解決了這個矛盾，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)的動態(tài)觀測，就必須實(shí)現(xiàn)極高的數(shù)據(jù)通量和處理速度。兩個層次的難題合起來就成為一個極為艱巨的工程挑戰(zhàn)。

戴瓊海，民革黨員，中國工程院院士，清華大學(xué)自動化系教授。2005年獲得國家自然科學(xué)基金委杰出青年基金，2009年受聘教育部 “長江學(xué)者獎勵計劃”特聘教授，2010年973項(xiàng)目首席科學(xué)家，2014年入選國家 “新世紀(jì)百千萬人才工程”，2017全國創(chuàng)新爭先獎獲得者。

主要學(xué)術(shù)方向?yàn)槿斯ぶ悄芎凸鈱W(xué)工程。長期致力于該研究領(lǐng)域的理論和關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，主持承擔(dān)了國家科技部重大基礎(chǔ)研究973項(xiàng)目和國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理論與關(guān)鍵技術(shù)等，分別在2016年獲國家科技進(jìn)步二等獎、2012年獲國家技術(shù)發(fā)明一等獎和2008年獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎。

近年來主要從事信息交叉科學(xué)的研究——計算攝像學(xué)。目前承擔(dān)國家重大儀器項(xiàng)目：多維多尺度計算攝像儀器，旨在提供從亞細(xì)胞、組織到器官的多尺度動態(tài)觀測工具，希望突破百萬級腦神經(jīng)連接的觀測，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)計算方法 （表達(dá)、轉(zhuǎn)換和規(guī)則）提供支撐。

一個女孩只要足夠美麗，不論多么高冷都不會缺少追求者。同樣，一個難題，只要意義足夠重大，不論難度多高都不會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10×10mm2、分辨率0.78μm的儀器，但成像速率僅180秒/幀，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測；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 0.8×0.8×0.8mm3， 分辨率 1.1μm， 成像速率0.5秒/幀的儀器；2016年，北卡羅來納大學(xué)醫(yī)學(xué)院做出了視場3.5×3.5mm2，分辨率1.1μm，成像速率10秒/幀的儀器。眾多來自頂級科研機(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，但問題仍然沒有得到全面的突破，三個關(guān)鍵指標(biāo)無論如何權(quán)衡都難以同時滿足需求。直到2017年，由戴瓊海團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)，聯(lián)合15個光機(jī)工廠、2個電子工廠，歷時4年，制造出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)，視場10×12mm2，分辨率0.8μm，成像速率30幀/秒的大視場高速高分辨光學(xué)顯微鏡，實(shí)現(xiàn)了大視場、高分辨的連續(xù)動態(tài)成像。

這臺顯微鏡，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)選為中國工程院院士。被評選為院士，通常并非基于最新的科研成就，而是基于過往的，已經(jīng)經(jīng)過時間驗(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，并拆分為一個個連續(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)”，被授予了國家科技發(fā)明二等獎。

如果您已經(jīng)在一個領(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)在這個領(lǐng)域深耕，精益求精，還是選擇離開這個領(lǐng)域，尋求新的挑戰(zhàn)？戴瓊海的選擇是后者。2000年左右，他離開了自己熟悉精通、成就卓越、但已經(jīng)沒有了重大挑戰(zhàn)的視頻處理領(lǐng)域，轉(zhuǎn)向了立體視頻的研究。當(dāng)時，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，或者通過對原有的二維視頻轉(zhuǎn)置，或者通過拍攝更多新的內(nèi)容。開發(fā)立體視頻技術(shù)需要計算機(jī)圖形學(xué)的研究能力，這在當(dāng)時是一個新興學(xué)科，需要研究者同時在微分幾何和計算機(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)，同時在做視頻編碼技術(shù)時，已經(jīng)對二維視頻的數(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”后來獲得了2012年度國家技術(shù)發(fā)明一等獎。原來制作電影特效時，由演員身上貼著白點(diǎn)在藍(lán)幕前表演，采集動作的拍攝方式已經(jīng)成為歷史，在戴瓊海和他的團(tuán)隊(duì)搭建的技術(shù)平臺上，已經(jīng)直接實(shí)現(xiàn)多臺攝影機(jī)同時進(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。三維視頻則是通過算法對二維圖像進(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程前置到成像階段，在成像時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、歐盟、日本和我國都已經(jīng)相繼推出了各自的腦科學(xué)計劃，不僅將是生命科學(xué)的新高峰，還將為未來的人工智能技術(shù)奠定科學(xué)基礎(chǔ)。而對大腦不同腦區(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)和與之合作的我國腦科學(xué)家已經(jīng)占據(jù)了先機(jī)。另外一個研究方向是光電計算。今天的電子計算機(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，將會帶來能耗的上升，而在密集的集成電路上高能耗帶來的散熱問題是難以克服的。要呈數(shù)量級地降低能耗，提升速度，就必須引入新的原理，其中一個重要的潛在方向就是光電計算機(jī)，以光子取代電子作為未來計算機(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主動轉(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)杰出成就則會考驗(yàn)他對自己知識能力的自知和對新職業(yè)需求的把握。當(dāng)代的科學(xué)研究已經(jīng)是一個復(fù)雜龐大的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，在每一個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，這不僅意味著不斷邁向未知領(lǐng)域的勇氣和自信，更重要的對自身知識結(jié)構(gòu)和研究稟賦的準(zhǔn)確把握，和對未來學(xué)術(shù)前沿和重心的精準(zhǔn)預(yù)見， “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、無我的工作狀態(tài)中，尤其在儀器攻關(guān)階段， “連續(xù)一個多月，戴老師就住在實(shí)驗(yàn)室里，所有學(xué)生見到他，他都在工作。我們不在實(shí)驗(yàn)室時，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，無論什么時間，幾乎都會馬上得到回復(fù)。所以我們完全不知道戴老師到底在什么時間休息，他好像完全不休息?！?/p>

戴瓊海實(shí)驗(yàn)室所研制的大視場、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，有時是一個有趣的組合。在學(xué)生眼中，來自戴老師的指導(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。他會經(jīng)常性的檢查每一個學(xué)生的研究進(jìn)展，研討工作中遭遇的問題和困難，提供方向和思路的指引。他對不同階段的學(xué)生，會提出不同的要求。對低年級的博士研究生，他會提出全面加強(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)計劃。對高年級的學(xué)生，他要求他們必須到國外頂尖科研機(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)中營造和鼓勵廣泛交流和合作的氣氛，他還經(jīng)常邀請國際一流的研究者來到實(shí)驗(yàn)室交流訪問，為學(xué)生提供最好的研究條件。

在老師眼中，他的學(xué)生個個都優(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?，面向的是未知的世界，是沒有既成的路可走的，前進(jìn)是一個不斷試錯、迭代的過程，研究成果來自自由的探索，而非權(quán)威的指令。他的學(xué)生，要提出重要的問題，別人想不到的問題，然后提出自己的思路，再把這個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)生長時間的討論之后，給出否定的意見最可能的原因就是學(xué)生的問題還沒有對準(zhǔn)關(guān)鍵，所作的工作可能是僅是對別人的跟隨。

筆者在采訪中還觀察到了一個細(xì)節(jié)，戴瓊海在講述自己的研究工作時幾乎不太使用形容詞，一直保持理性、平實(shí)的語言風(fēng)格。而在介紹學(xué)生時，則明顯增加了感情色彩，不僅對學(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。他不假思索， “肯定是下一個”。

期待戴瓊海的下一個科研成就。