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、原位動態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。據估計，我國正在建設的高能同步輻射光源（HEPS）與硬X射線自由電子激光裝置（SHINE）等先進光源的年數據通量將正式步入「Exascale」時代。由于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、融合和分割的復雜度急劇增加；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征提取、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能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采集與分析軟件框架相結合是解決光源海量圖像數據處理挑戰的途徑。
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于2025年建成后將成為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臺，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。
圖1 HEPS光源建設情況(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
在提升光源硬件水平的同時，科學軟件體系的競爭已成為裝置科研活動角逐的焦點之一。作為一臺第四代同步輻射光源，HEPS在建設之初就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件框架與生態體系研制項目。目前，由HEPS光束線軟件團隊負責的大型實驗控制與數據采集軟件框架（Mamba）、高能所計算中心負責的高性能在線數據分析軟件框架（Daisy）及科學數據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件框架與生態體系，有望解決我國先進光源大科學裝置領域對國外軟件框架和系統的高度依賴，推動我國本領域科學軟件發展，培養一支有國際競爭力的人才隊伍。
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