從“鞋盒子”里拍出的全國(guó)“挑戰(zhàn)杯”特等獎(jiǎng)
——記全國(guó)第12屆“挑戰(zhàn)杯”特等獎(jiǎng)項(xiàng)目“惡劣環(huán)境視頻增強(qiáng)算法研究及硬件實(shí)現(xiàn)”及其團(tuán)隊(duì)
學(xué)通社記者 王非同
圖為項(xiàng)目組設(shè)計(jì)的第一代FPGA圖片。
左：一般視頻效果原圖；右：ClaireVue硬件處理后的效果圖。
清華大學(xué)“惡劣環(huán)境視頻增強(qiáng)算法研究及硬件實(shí)現(xiàn)”項(xiàng)目在2011年10月揭曉的第12屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽中榮獲特等獎(jiǎng)。這個(gè)項(xiàng)目的研究成果可實(shí)現(xiàn)在黑暗的環(huán)境中所拍攝的視頻保持較高的清晰度，在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)清晰度的大幅提升。而早在參加挑戰(zhàn)杯之前，依據(jù)這一項(xiàng)目完成的手機(jī)軟件已經(jīng)在短短的3個(gè)月內(nèi)獲得了近30萬(wàn)的下載量。
而他們?cè)趨⒓忧迦A第29屆“挑戰(zhàn)杯”學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技活動(dòng)比賽的展示環(huán)節(jié)中，所用的一個(gè)“鞋盒子”給人印象深刻——在用一個(gè)簡(jiǎn)單的鞋盒子制造出了黑暗環(huán)境中進(jìn)行拍攝，以此來(lái)展示研究成果。項(xiàng)目在校內(nèi)“挑戰(zhàn)杯”比賽中就獲得了特等獎(jiǎng)，并得到了評(píng)委和同學(xué)們的一致好評(píng)。
這一切都是來(lái)源于一個(gè)名叫ClaireVue的團(tuán)隊(duì)。ClaireVue源自法語(yǔ)，意為讓你看到更清晰的圖像和視頻，這也恰恰代表了他們研究的項(xiàng)目。項(xiàng)目組包括8名成員，以電子系2008級(jí)本科生陸垚、電子系2008級(jí)本科生趙鶴、計(jì)算機(jī)系2008級(jí)本科生孟瑋為主，耗時(shí)一年半，最終將整個(gè)視頻增強(qiáng)效果得以實(shí)現(xiàn)。
從畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)始的妙想
2009年12月，項(xiàng)目的發(fā)起人計(jì)算機(jī)系學(xué)生董譞跟隨計(jì)算機(jī)系的老師做畢業(yè)設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月緊張辛苦的研究計(jì)算，董譞在這個(gè)項(xiàng)目上已經(jīng)有所進(jìn)展。在開(kāi)始研究生的學(xué)習(xí)后，董譞繼續(xù)他畢設(shè)項(xiàng)目的研究，但在算法研究上遇到了困難，需要人手的幫助。
與此同時(shí)，來(lái)自電子系的陸垚、李迪以及其他幾位同學(xué)也在機(jī)緣巧合之下認(rèn)識(shí)了董譞，帶著對(duì)科研的興趣，當(dāng)年9月份參加到了這個(gè)項(xiàng)目的研究中。2010年秋，ClaireVue團(tuán)隊(duì)的8名成員聚集在一起，開(kāi)始了對(duì)“惡劣環(huán)境視頻增強(qiáng)算法研究及硬件實(shí)現(xiàn)”的研發(fā)。當(dāng)時(shí)，國(guó)際上在這方面的研究正處于瓶頸階段，好的算法處理效果雖好，但速度很慢，通常處理一張圖片需要1分鐘以上，很難做到實(shí)時(shí)；但快的算法又很難保證效果。ClaireVue團(tuán)隊(duì)基于一個(gè)很有意思的發(fā)現(xiàn)，巧妙地提出了新的算法，在保證效果好的前提下還能進(jìn)行視頻實(shí)時(shí)處理。
分工合作，“軟硬兼施”
在算法的研究基本告一段落之后，ClaireVue團(tuán)隊(duì)將視野投向業(yè)界，他們發(fā)現(xiàn)目前智能手機(jī)上沒(méi)有一款應(yīng)用可以進(jìn)行黑暗視頻的實(shí)時(shí)增強(qiáng)，而他們的系統(tǒng)在進(jìn)一步優(yōu)化后就可以在智能手機(jī)平臺(tái)上運(yùn)行，團(tuán)隊(duì)便協(xié)調(diào)李迪等同學(xué)開(kāi)始手機(jī)終端的開(kāi)發(fā)。在進(jìn)一步調(diào)研之后，ClaireVue團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)視頻監(jiān)控市場(chǎng)的規(guī)模很大，將算法移植到硬件上將具有很大的市場(chǎng)空間，于是由陸垚帶領(lǐng)幾個(gè)人開(kāi)始進(jìn)行硬件方面的研發(fā)。
然而，準(zhǔn)備著手研發(fā)的陸垚等人發(fā)現(xiàn)，雖然已經(jīng)進(jìn)行了兩年的本科課程學(xué)習(xí)，但對(duì)于將要研究的課題仍然知之甚少。不會(huì)并不代表不能繼續(xù)研究，他們決定邊做邊學(xué)，有不明白的地方就查資料或是向老師請(qǐng)教。陸垚坦言：“（這方面的知識(shí)）原來(lái)就算懂也懂得不太多，只有在做的過(guò)程中不斷學(xué)習(xí)并積累經(jīng)驗(yàn)?！?
逐漸深入的研究使陸垚等人感受到了研究和開(kāi)發(fā)過(guò)程的辛苦，很多時(shí)候被一個(gè)問(wèn)題所困擾，付出幾天的時(shí)間去思考和調(diào)試都得不到解決。所幸，一個(gè)團(tuán)隊(duì)一起努力就可以讓大家有堅(jiān)持下去的信念和做出來(lái)的信心。回憶起那段經(jīng)歷，陸垚笑著說(shuō)：“有時(shí)候調(diào)代碼調(diào)累了，看看自己處理的效果，瞬間就又有了動(dòng)力?！?
“高人”援手，答疑解惑
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)所克服的一個(gè)最大技術(shù)難題，就是算法在硬件平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)。他們選擇了將算法應(yīng)用在運(yùn)行速度較快的FPGA板卡上，但是對(duì)于A(yíng)D/DA接口信號(hào)的轉(zhuǎn)換不熟悉讓他們又一次遇到了困難。（編者注：FPGA板卡是一種繼承了各種功能的硬件平臺(tái)，可供開(kāi)發(fā)者自由編程設(shè)計(jì)的硬件板卡。AD/DA指數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換。）在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，他們始終認(rèn)為采取的實(shí)現(xiàn)方式是正確的，但是最終獲得的圖像效果與軟件相比又天差地別，他們百思不得其解，不斷的調(diào)試卻沒(méi)有任何進(jìn)展。
直到陸垚聽(tīng)說(shuō)隔壁實(shí)驗(yàn)室的一位學(xué)長(zhǎng)在FPGA上做圖像的經(jīng)驗(yàn)十分豐富，他馬上找到了這位學(xué)長(zhǎng)咨詢(xún)，并請(qǐng)他親自到實(shí)驗(yàn)室?guī)兔φ{(diào)試。這位學(xué)長(zhǎng)在幾個(gè)關(guān)鍵地方指點(diǎn)迷津，再經(jīng)過(guò)幾名同學(xué)多天的調(diào)試，問(wèn)題迎刃而解：通過(guò)硬件渠道也獲得了真正優(yōu)化的圖像，F(xiàn)PGA板卡的調(diào)試至此順利告一段落。
從“鞋盒子”到“黑箱子”
在全國(guó)“挑戰(zhàn)杯”籌備小組的層層篩選，陸垚等人的項(xiàng)目最終被選定為參賽的6件作品之一。在全國(guó)比賽中繼續(xù)使用一個(gè)簡(jiǎn)單鞋盒子進(jìn)行效果展示顯得過(guò)于簡(jiǎn)陋，他們制作了一個(gè)“黑箱子”。
這個(gè)“黑箱子”近似正方體，有一個(gè)斜面以及做好的支撐物可以放手機(jī)，開(kāi)口可以對(duì)準(zhǔn)手機(jī)的攝像頭。但是，團(tuán)隊(duì)初次測(cè)試時(shí)，才發(fā)現(xiàn)實(shí)在是太黑了，沒(méi)有辦法增強(qiáng)視頻效果。在原先的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中需要有一點(diǎn)光源，他們一度想要放棄使用這個(gè)箱子，改用其他的展示方式。 后來(lái)突然想到，其實(shí)可以在箱子上打洞，放一點(diǎn)光進(jìn)去。于是陸垚就去找自動(dòng)化系的同學(xué)幫忙打洞，打了幾個(gè)洞之后再測(cè)試，效果果然好了很多。
這個(gè)項(xiàng)目在最終的全國(guó)比賽中取得了很好的展示效果，項(xiàng)目受到了評(píng)委以及參觀(guān)人員的一致認(rèn)可。這也幫助整個(gè)ClaireVue團(tuán)隊(duì)成功獲得了全國(guó)“挑戰(zhàn)杯”特等獎(jiǎng)。
希望獲得更多的關(guān)注
早在參加全國(guó)“挑戰(zhàn)杯”之前，在項(xiàng)目的準(zhǔn)備過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)就以iphone手機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，制作了一個(gè)針對(duì)IPHONE手機(jī)的與團(tuán)隊(duì)同名軟件ClaireVue，并在A(yíng)pp Store上線(xiàn)。用戶(hù)可以通過(guò)這個(gè)軟件在iphone上體驗(yàn)ClaireVue的視頻處理效果。這款軟件對(duì)于惡劣拍攝環(huán)境下得到的視頻、圖片效果有著極大的提升，在他們給出的示例照片中，可以明顯地看到在霧天和夜晚拍攝的照片效果有了增強(qiáng)。他們的軟件在 3個(gè)月內(nèi)下載量達(dá)到近30萬(wàn)，90%的用戶(hù)給予了滿(mǎn)分5顆星的評(píng)價(jià)。同時(shí)ClaireVue還曾在13個(gè)國(guó)家或地區(qū)的拍攝類(lèi)應(yīng)用中排名前5。
而團(tuán)隊(duì)的另一個(gè)研究方向，硬件部分——FPGA板卡，同樣有著美好的前景。他們打算將這一技術(shù)應(yīng)用在視頻監(jiān)控行業(yè)，因?yàn)橄啾冗@一行業(yè)之前的技術(shù)，F(xiàn)PGA板卡不僅具有體積小、效果好的優(yōu)點(diǎn)，還克服了低照度攝像頭成本高昂以及紅外攝像頭容易受微光干擾的缺點(diǎn)。陸垚說(shuō)道，他們正在與一些安防公司接觸，嘗試將這一技術(shù)投入市場(chǎng)。
這些都給予了團(tuán)隊(duì)巨大的動(dòng)力，他們?nèi)匀辉诓粩嗟赝苿?dòng)研究的深入，渴望成果能夠真正得到更為廣泛的實(shí)際應(yīng)用，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的革新。
編輯：襄 樺
