从“鞋盒子”里拍出的全国“挑战杯”特等奖

——记全国第12届“挑战杯”特等奖项目“恶劣环境视频增强算法研究及硬件实现”及其团队

学通社记者 王非同

图为项目组设计的第一代FPGA图片。

左:一般视频效果原图;右:ClaireVue硬件处理后的效果图。

  清华大学“恶劣环境视频增强算法研究及硬件实现”项目在2011年10月揭晓的第12届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛中荣获特等奖。这个项目的研究成果可实现在黑暗的环境中所拍摄的视频保持较高的清晰度,在现有技术基础上实现清晰度的大幅提升。而早在参加挑战杯之前,依据这一项目完成的手机软件已经在短短的3个月内获得了近30万的下载量。

  而他们在参加清华第29届“挑战杯”学生课外学术科技活动比赛的展示环节中,所用的一个“鞋盒子”给人印象深刻——在用一个简单的鞋盒子制造出了黑暗环境中进行拍摄,以此来展示研究成果。项目在校内“挑战杯”比赛中就获得了特等奖,并得到了评委和同学们的一致好评。

  这一切都是来源于一个名叫ClaireVue的团队。ClaireVue源自法语,意为让你看到更清晰的图像和视频,这也恰恰代表了他们研究的项目。项目组包括8名成员,以电子系2008级本科生陆垚、电子系2008级本科生赵鹤、计算机系2008级本科生孟玮为主,耗时一年半,最终将整个视频增强效果得以实现。

从毕业设计开始的妙想

       2009年12月,项目的发起人计算机系学生董譞跟随计算机系的温江涛老师做毕业设计。温老师给了他这个题目——“恶劣环境视频增强算法研究及硬件实现”。经过几个月紧张辛苦的研究计算,董譞在这个项目上已经有所进展。在开始研究生的学习后,董譞继续他毕设项目的研究,但在算法研究上遇到了困难,需要人手的帮助。

  与此同时,来自电子系的陆垚、李迪以及其他几位同学也在机缘巧合之下认识了董譞,带着对科研的兴趣,当年9月份参加到了这个项目的研究中。2010年秋,ClaireVue团队的8名成员聚集在一起,开始了对“恶劣环境视频增强算法研究及硬件实现”的研发。当时,国际上在这方面的研究正处于瓶颈阶段,好的算法处理效果虽好,但速度很慢,通常处理一张图片需要1分钟以上,很难做到实时;但快的算法又很难保证效果。ClaireVue团队基于一个很有意思的发现,巧妙地提出了新的算法,在保证效果好的前提下还能进行视频实时处理。

 分工合作,“软硬兼施”
 
         在算法的研究基本告一段落之后,ClaireVue团队将视野投向业界,他们发现目前智能手机上没有一款应用可以进行黑暗视频的实时增强,而他们的系统在进一步优化后就可以在智能手机平台上运行,团队便协调李迪等同学开始手机终端的开发。在进一步调研之后,ClaireVue团队发现视频监控市场的规模很大,将算法移植到硬件上将具有很大的市场空间,于是由陆垚带领几个人开始进行硬件方面的研发。
 
         然而,准备着手研发的陆垚等人发现,虽然已经进行了两年的本科课程学习,但对于将要研究的课题仍然知之甚少。不会并不代表不能继续研究,他们决定边做边学,有不明白的地方就查资料或是向老师请教。陆垚坦言:“(这方面的知识)原来就算懂也懂得不太多,只有在做的过程中不断学习并积累经验。”
 
  逐渐深入的研究使陆垚等人感受到了研究和开发过程的辛苦,很多时候被一个问题所困扰,付出几天的时间去思考和调试都得不到解决。所幸,一个团队一起努力就可以让大家有坚持下去的信念和做出来的信心。回忆起那段经历,陆垚笑着说:“有时候调代码调累了,看看自己处理的效果,瞬间就又有了动力。”
 
“高人”援手,答疑解惑
 
  项目团队所克服的一个最大技术难题,就是算法在硬件平台上的实现。他们选择了将算法应用在运行速度较快的FPGA板卡上,但是对于AD/DA接口信号的转换不熟悉让他们又一次遇到了困难。(编者注:FPGA板卡是一种继承了各种功能的硬件平台,可供开发者自由编程设计的硬件板卡。AD/DA指数字信号和模拟信号转换。)在相当长一段时间内,他们始终认为采取的实现方式是正确的,但是最终获得的图像效果与软件相比又天差地别,他们百思不得其解,不断的调试却没有任何进展。
 
  直到陆垚听说隔壁实验室的一位学长在FPGA上做图像的经验十分丰富,他马上找到了这位学长咨询,并请他亲自到实验室帮忙调试。这位学长在几个关键地方指点迷津,再经过几名同学多天的调试,问题迎刃而解:通过硬件渠道也获得了真正优化的图像,FPGA板卡的调试至此顺利告一段落。
 
从“鞋盒子”到“黑箱子”
 
  在全国“挑战杯”筹备小组的层层筛选,陆垚等人的项目最终被选定为参赛的6件作品之一。在全国比赛中继续使用一个简单鞋盒子进行效果展示显得过于简陋,他们制作了一个“黑箱子”。
 
  这个“黑箱子”近似正方体,有一个斜面以及做好的支撑物可以放手机,开口可以对准手机的摄像头。但是,团队初次测试时,才发现实在是太黑了,没有办法增强视频效果。在原先的项目设计中需要有一点光源,他们一度想要放弃使用这个箱子,改用其他的展示方式。 后来突然想到,其实可以在箱子上打洞,放一点光进去。于是陆垚就去找自动化系的同学帮忙打洞,打了几个洞之后再测试,效果果然好了很多。
  
  这个项目在最终的全国比赛中取得了很好的展示效果,项目受到了评委以及参观人员的一致认可。这也帮助整个ClaireVue团队成功获得了全国“挑战杯”特等奖。
 
希望获得更多的关注
 
  早在参加全国“挑战杯”之前,在项目的准备过程中,团队就以iphone手机为实验对象,制作了一个针对IPHONE手机的与团队同名软件ClaireVue,并在App Store上线。用户可以通过这个软件在iphone上体验ClaireVue的视频处理效果。这款软件对于恶劣拍摄环境下得到的视频、图片效果有着极大的提升,在他们给出的示例照片中,可以明显地看到在雾天和夜晚拍摄的照片效果有了增强。他们的软件在 3个月内下载量达到近30万,90%的用户给予了满分5颗星的评价。同时ClaireVue还曾在13个国家或地区的拍摄类应用中排名前5。
 
  而团队的另一个研究方向,硬件部分——FPGA板卡,同样有着美好的前景。他们打算将这一技术应用在视频监控行业,因为相比这一行业之前的技术,FPGA板卡不仅具有体积小、效果好的优点,还克服了低照度摄像头成本高昂以及红外摄像头容易受微光干扰的缺点。陆垚说道,他们正在与一些安防公司接触,尝试将这一技术投入市场。
  
  这些都给予了团队巨大的动力,他们仍然在不断地推动研究的深入,渴望成果能够真正得到更为广泛的实际应用,推动相关产业技术的革新。
 
编辑:襄 桦

 

2011年12月09日 14:15:25  清华新闻网

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