從“鞋盒子”里拍出的全國“挑戰(zhàn)杯”特等獎
——記全國第12屆“挑戰(zhàn)杯”特等獎項目“惡劣環(huán)境視頻增強算法研究及硬件實現(xiàn)”及其團隊
學(xué)通社記者 王非同
圖為項目組設(shè)計的第一代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)境視頻增強算法研究及硬件實現(xiàn)”項目在2011年10月揭曉的第12屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中榮獲特等獎。這個項目的研究成果可實現(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)這一項目完成的手機軟件已經(jīng)在短短的3個月內(nèi)獲得了近30萬的下載量。
而他們在參加清華第29屆“挑戰(zhàn)杯”學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技活動比賽的展示環(huán)節(jié)中，所用的一個“鞋盒子”給人印象深刻——在用一個簡單的鞋盒子制造出了黑暗環(huán)境中進行拍攝，以此來展示研究成果。項目在校內(nèi)“挑戰(zhàn)杯”比賽中就獲得了特等獎，并得到了評委和同學(xué)們的一致好評。
這一切都是來源于一個名叫ClaireVue的團隊。ClaireVue源自法語，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目。項目組包括8名成員，以電子系2008級本科生陸垚、電子系2008級本科生趙鶴、計算機系2008級本科生孟瑋為主，耗時一年半，最終將整個視頻增強效果得以實現(xiàn)。
從畢業(yè)設(shè)計開始的妙想
2009年12月，項目的發(fā)起人計算機系學(xué)生董譞跟隨計算機系的老師做畢業(yè)設(shè)計。經(jīng)過幾個月緊張辛苦的研究計算，董譞在這個項目上已經(jīng)有所進展。在開始研究生的學(xué)習后，董譞繼續(xù)他畢設(shè)項目的研究，但在算法研究上遇到了困難，需要人手的幫助。
與此同時，來自電子系的陸垚、李迪以及其他幾位同學(xué)也在機緣巧合之下認識了董譞，帶著對科研的興趣，當年9月份參加到了這個項目的研究中。2010年秋，ClaireVue團隊的8名成員聚集在一起，開始了對“惡劣環(huán)境視頻增強算法研究及硬件實現(xiàn)”的研發(fā)。當時，國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，很難做到實時；但快的算法又很難保證效果。ClaireVue團隊基于一個很有意思的發(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行視頻實時處理。
分工合作，“軟硬兼施”
在算法的研究基本告一段落之后，ClaireVue團隊將視野投向業(yè)界，他們發(fā)現(xiàn)目前智能手機上沒有一款應(yīng)用可以進行黑暗視頻的實時增強，而他們的系統(tǒng)在進一步優(yōu)化后就可以在智能手機平臺上運行，團隊便協(xié)調(diào)李迪等同學(xué)開始手機終端的開發(fā)。在進一步調(diào)研之后，ClaireVue團隊發(fā)現(xiàn)視頻監(jiān)控市場的規(guī)模很大，將算法移植到硬件上將具有很大的市場空間，于是由陸垚帶領(lǐng)幾個人開始進行硬件方面的研發(fā)。
然而，準備著手研發(fā)的陸垚等人發(fā)現(xiàn)，雖然已經(jīng)進行了兩年的本科課程學(xué)習，但對于將要研究的課題仍然知之甚少。不會并不代表不能繼續(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教。陸垚坦言：“（這方面的知識）原來就算懂也懂得不太多，只有在做的過程中不斷學(xué)習并積累經(jīng)驗。”
逐漸深入的研究使陸垚等人感受到了研究和開發(fā)過程的辛苦，很多時候被一個問題所困擾，付出幾天的時間去思考和調(diào)試都得不到解決。所幸，一個團隊一起努力就可以讓大家有堅持下去的信念和做出來的信心。回憶起那段經(jīng)歷，陸垚笑著說：“有時候調(diào)代碼調(diào)累了，看看自己處理的效果，瞬間就又有了動力。”
“高人”援手，答疑解惑
項目團隊所克服的一個最大技術(shù)難題，就是算法在硬件平臺上的實現(xiàn)。他們選擇了將算法應(yīng)用在運行速度較快的FPGA板卡上，但是對于AD/DA接口信號的轉(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，可供開發(fā)者自由編程設(shè)計的硬件板卡。AD/DA指數(shù)字信號和模擬信號轉(zhuǎn)換。）在相當長一段時間內(nèi)，他們始終認為采取的實現(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)試卻沒有任何進展。
直到陸垚聽說隔壁實驗室的一位學(xué)長在FPGA上做圖像的經(jīng)驗十分豐富，他馬上找到了這位學(xué)長咨詢，并請他親自到實驗室?guī)兔φ{(diào)試。這位學(xué)長在幾個關(guān)鍵地方指點迷津，再經(jīng)過幾名同學(xué)多天的調(diào)試，問題迎刃而解：通過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“挑戰(zhàn)杯”籌備小組的層層篩選，陸垚等人的項目最終被選定為參賽的6件作品之一。在全國比賽中繼續(xù)使用一個簡單鞋盒子進行效果展示顯得過于簡陋，他們制作了一個“黑箱子”。
這個“黑箱子”近似正方體，有一個斜面以及做好的支撐物可以放手機，開口可以對準手機的攝像頭。但是，團隊初次測試時，才發(fā)現(xiàn)實在是太黑了，沒有辦法增強視頻效果。在原先的項目設(shè)計中需要有一點光源，他們一度想要放棄使用這個箱子，改用其他的展示方式。 后來突然想到，其實可以在箱子上打洞，放一點光進去。于是陸垚就去找自動化系的同學(xué)幫忙打洞，打了幾個洞之后再測試，效果果然好了很多。
這個項目在最終的全國比賽中取得了很好的展示效果，項目受到了評委以及參觀人員的一致認可。這也幫助整個ClaireVue團隊成功獲得了全國“挑戰(zhàn)杯”特等獎。
希望獲得更多的關(guān)注
早在參加全國“挑戰(zhàn)杯”之前，在項目的準備過程中，團隊就以iphone手機為實驗對象，制作了一個針對IPHONE手機的與團隊同名軟件ClaireVue，并在App Store上線。用戶可以通過這個軟件在iphone上體驗ClaireVue的視頻處理效果。這款軟件對于惡劣拍攝環(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。他們的軟件在 3個月內(nèi)下載量達到近30萬，90%的用戶給予了滿分5顆星的評價。同時ClaireVue還曾在13個國家或地區(qū)的拍攝類應(yīng)用中排名前5。
而團隊的另一個研究方向，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)，因為相比這一行業(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，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。陸垚說道，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。
這些都給予了團隊巨大的動力，他們?nèi)匀辉诓粩嗟赝苿友芯康纳钊耄释晒軌蛘嬲玫礁鼮閺V泛的實際應(yīng)用，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的革新。
編輯：襄 樺
