戴瓊海研討團隊：引領中國破體視頻技巧逾越式發展海外-T:12669

2015-03-11 12:52 來源：http://www.elinglong.com/ 閱讀：次

清華自動化系戴瓊海傳授等完成的“立體視頻獲取與重建技術及裝置”項目獲2012年度國家技術創造獎一等獎

引領中國立體視頻技術逾越式發展

記者程曦實習記者白雪蕾

　　項目名稱：立體視頻重建與顯示技術及安裝

　　完成人：戴瓊海季朝陽劉燁斌曹汛戈張楊藝

　　名目先容：立體視頻是新一代信息獲取、傳布與顯示的前沿中心技術，存在高沉迷感、寬視場等特色。正在寰球范疇內推進數字媒體跟文明工業的進級，引發世界各國在信息與顯示科技范疇發展新一輪角逐。

　　該項目繚繞立體視頻重建與顯示的關鍵技術獲得突破，授權發明專利51項。創立光照-視角協同采集裝置平臺，發明光度立體多視角配準方法，突破運動周期性限制，率先實現自由運動對象的立體視頻光照重建；發明全自動無標記點運動捕獲與紋理驅動立體視頻合成方法，率先攻克了復雜對象運動映射的任意視角立體視頻合成難題；發明了二維到三維視頻轉換的多元信息融合的深度計算方法，研制了“清立方”立體視頻轉換芯片和裝置；發明了無莫爾紋裸眼立體顯示方法及裝置，解決了寬視場逼真裸眼立體顯示難題。關鍵技術授權應用于Sonic、東芝和索尼等企業，取得了顯著的經濟與社會效益。

　　我們會一如既往、盡心竭力地推進立體視頻技術的技術創新，為加速推進立體視頻技術成果的應用和產業化作出新的更大的貢獻；我們也將一直秉承清華“自強不息，厚德載物”的校訓，在新的科學探索征途上義無反顧。獲獎只是一個新的起點，創新路上還會有更多的挑戰與收成期待著我們。

——戴瓊海

圖為“清立方”立體處置芯片與裝置。　　

圖為視角-光照協同采集裝置及協同掌握器。

　　走進位于清華大學主樓7層一間一般的實驗室，拉開帷幔，一個直徑6米的大“籠子”映入眼簾。按下節制板上的開關，瞬時光，位于64個平面上的600多盞LED燈交替閃耀，光影錯綜，令人眼花。

　　這個“籠子”的大名叫“變光照的多視點動態場景采集平臺”。暗藏在600多束點光源中的，還有間插耦合曝光的40臺相機，每8臺裝備一個把持器。通過這樣的協同相機陣列和LED光源陣列，能夠實現三維對象的高精度建模，為立體影視制作供給要害的技術支持。自2010年以來，它始終是全球精度排名第一的三維建模裝備。

圖為戴瓊海與同窗們一起研究研究中碰到的問題。

　　它的創造者，是清華大學主動化系副主任戴瓊海教學所率領的團隊。10余年來，他們在國度天然迷信基金、“863”打算、以及省部級項目等支撐下，在立體視頻獲取、天生與顯示等應用基礎理論和核心關鍵技術方面完成了具備自主知識產權的多項發現創新，打破了多個癥結技術，轉變了長期以來視頻核心技術重要依附引進的傳統格式，實現了核心技術對外輸出。研發結果明顯加強了我國立體視頻核心技術的國際競爭力，構建了實踐立異、關鍵技術沖破、工程化應用和產業化的技術支撐平臺。

　　2013年1月，“立體視頻獲取與重建技術及裝置”項目獲2012年度國家技術發明獎一等獎。

占據立體視頻技術制高點

　　上世紀90年代末，數字媒體在信息產業中初露崢嶸頭角，國際上呈現大量流媒體編碼技術，但中國在這一領域卻缺少屬于自己的知識產權。中國企業每生成一臺DVD需支付的專利費高達利潤的10.2倍，跨國公司僅專利費每年就從中國獲利高達數十億美元。當時正帶領團隊從事流媒體研究的戴瓊海看在眼里，痛在心上。

　　進入21世紀，歐盟、美國、日本的立體視頻研討項目陸續啟動，引發了世界各國在信息顯示技術領域新一輪的角逐。戴瓊海團隊靈敏地感到到，立體視頻的時期行將到來，中國市場再次面臨“狼來了”的要挾，但這也是中國信息技術實現源頭創新、趕超發達國家的一次絕佳契機。

　　“我們覺得很難做，然而如果能‘撲上去’占到制高點，就可以掙本國人的錢，讓外國人用中國的知識產權。&rdquo,海外華商;恰是抱著這樣的信心，固然面臨內容匱乏的窘境和技術路線的徘徊，戴瓊海和他的團隊還是義無反顧地開端了立體視頻技術研究的漫漫征程。

　　立體視頻與平面視頻最大的差別，在于它不僅是一個簡單的解碼過程，而是須要采集多視角的信息，并且重形成擁有縱深感的視頻影像，栩栩如生地顯示在人們眼前。這其中波及從理論到應用、從內容到顯示的一系列難題。

　　對現實場景進行重建與真實感繪制是立體視頻內容生成的核心技術之一。通過調研，戴瓊海團隊以為，突破傳統立體模型對3DMax等人工干涉量大的專業軟件的限度，轉而通過現實場景對象采集的多視圖像來重建高真實感的三維模型幾何和紋理，是成為準確立體重建技術的必定發展趨勢。這其中，重要的核心問題就是如何進步建模精度。

　　最初，團隊嘗試搭建了包容64個相機的系統，雖然具備了一定的立體效果，但并不可能重現真正的立體感。接著他們又搭起一座鋼架，但精度的提高還是不顯著。國際同行的實際教訓告知他們，相機越密，立體感就越好。但是相秘密度增添必然導致數據量異常宏大，很難處理。這一矛盾又如何解決呢？

　　經由重復嘗試和研究，團隊發現光的變更對立體重建的精度有必定影響。傳統方法是拍攝一系列視頻然落后行匹配，相似激光掃描，細節匹配不佳導致三維模型重建精度不高；而假如參加光照的因素，不斷變換光照并進行拍攝，就可以通過入射與反射時拍攝的視頻信息找到法線的方向，從而得悉其絕對的地位關系。把這一“光度立體”的方法和多視圖匹配的方式結合起來，就可以得到精度十分高的三維重建辦法。

　　由此，戴瓊海團隊在國際上首次提出了視覺場理論，樹立了視角、光照和事件的關系，本文開頭所描寫的“籠子”也由此出生，不僅減少了相機數量，而且使建模精度得到了質的提升。到2010年，基于該體系實現的三維建模誤差僅小于0.3毫米，在由美國國家科學基金會（NSF）等多家威望機構組織的國際評測中重建精度排名第一，至今未被超出。

“一定要做最具原創性的研究”

　　立體視頻的風潮席卷全球，但是站在這一領域技術研究最前沿的戴瓊海卻始終告誡團隊師生：“不要盲目隨著別人做，一定要做最具原創性的研究。”

　　當今影視作品中往往包括大批非現實場景或對象，既要看起來“真”，又要看起來“活”，立體視頻制作中實在感紋理合成與運動自在控制的抵觸，長期以來一直是妨礙技術發展的共性困難。戴瓊海團隊提出了一系列采樣、跟蹤及合成方法，實現了從“拍攝（反演）”到“創造”的突破，為立體影視制作提供了關鍵的技術支撐。形象地說，應用他們的技術來拍大片，技術職員再也不必費時費勁在演員身材的各個關鍵節點上作出標志，后期再逐一去除標記；“武林高手”們再也不用穿上呼吸困頓的緊身衣，衣袂飄飄就可以把絕技演員的動作“乾坤挪移”到本人身上，即便是懸崖峭壁這樣無比龐雜的環境也可以輕松實現動作映射——多視角高速采集活動對象，實現任意場景、任意衣飾下的三維運動跟蹤，將任意重建運動或創作運動映射至采集對象……與之比擬，當年勇奪全球票房冠軍的3D巨制《阿凡達》所采用的技術都要遜色不少。

　　人們愛看立體視頻，但全新采集、制造的立體片源究竟數目極其有限。如何彌補這一宏大缺口？傳統平面影片的立體化轉換是一種有效的解決手腕。二維轉三維說來輕易，真正做起來可不是用拉伸等技能使對象看起來立體那么簡略，而是一個“源于現實，高于事實”的轉換進程，通過對場景對象的邏輯關系、深度關聯進行從新映射，到達晉升片子立體藝術品質的后果，構成技術與藝術的有效融會。

　　戴瓊海團隊針對信息欠定前提下平面視頻立體轉換的問題，發現了透視幾何、遮擋關系、聚焦散焦等多元深度信息耦合機理，建立了紋理、光照與物理空間的關系模型與視角-紋理-運動相關的深度反演機制，提出了高維空間深度風行表現理論與稀少光流跟蹤的視頻深度信息流傳方法。理論成果發表于2011年4月的《IEEE多媒體》（IEEE Multimedia）雜志，并作為2011年12月的領域“亮點”文章，登載于“本日計算”（Computing Now，IEEE計算機學會的新媒體出版物，包含13個IEEE期刊）的最新熱門研究首頁。

　　在立體視頻顯示方面，戴瓊海團隊結合硬件高效性與軟件機動性，揭示了莫爾紋與光柵參數之間的影響法則，提出了三維影像深度調節和自適應濾波方法，突破面板尺寸和觀看間隔制約，實現了寬視場真切立體顯示，突破了制約裸眼立體顯示技術的固執瓶頸。

　　2012年，戴瓊海在國際立體視頻大會上作了題為“視覺場捉拿和立體視頻應用”（Vision Field Capturing and 3DTV Application）的呈文，成為第一個在該大會上展現原創性成果的中國專家。兩個半小時的終場講演，數百名歐美學者由衷敬仰地豎起大拇指，那一刻，每位團隊成員都深深感到作為中國人、作為清華人的驕傲。

讓立體視頻走進各行各業、千家萬戶

　　除了數字媒體和文化創意產業，立體視頻技術在軍事、航天、醫療、教導等領域也有相稱普遍的運用遠景。多年來，戴瓊海團隊始終保持產學研親密聯合，密切接洽現實需要，讓立體視頻走進各行各業、千家萬戶。

　　早在 2006年，在廣東省科技廳的支持下，團隊就在清華大學深圳研究生院建立了廣東省-教育部立體視頻產學研基地。他們還與深圳超多維、北京凌云光電子等公司開展密切的產學研合作，讓前沿技術在信息產業中“落地生根”。

　　2010年，上海世博會中國館的兩大展區——“盼望大地”、“森林碳匯”讓前來參觀的各國游客記憶深入、流連忘返：步入展區，宛如置身于大做作的懷抱，“濕地”內的水潭明澈見底，流水潺潺，可惡的小魚一會兒潛入水底，一會兒躍出水面……當游客忍不住伸手觸摸時，才發明它實在是用3D多媒體虛構技術所演繹的天然氣象。這塊采取高精度三維建模技巧實現的裸眼破體電視屏幕，由戴瓊海團隊與上海大學等配合實現，成為科技辦博的一大亮點。

　　2010年8月，項目發明的平面視頻立體轉換技術通過美國有名數字多媒體軟件公司SONIC全球競標后，應用于其旗艦產品Raxio Creator立體視頻轉換編纂于播放平臺，支持全球首款立體視頻播放器，在北美市場同類產品中占領率高達62%。

　　2011年3月20日上午，我國完整領有自主常識產權的立體視頻芯片“清立方”在清華大學主樓招待廳發布研發成功并舉辦協作簽約典禮。目前，“清立方”已經勝利實當初電視機、機頂盒等產品中范圍化利用，在終端實現了高清平面視頻到立體視頻的實時重建。花費者應用多少塊錢一副的紅綠眼鏡，即可觀賞3D效果的電視畫面。

　　此外，項目發明的寬視場裸眼立體顯示系統應用于東芝、索尼、華碩公司的產品且已成功推向市場。受權全球視覺盤算技術行業首領NVIDIA公司在其GeForce系列產品中支持裸眼立體顯示軟件驅動，該芯片在個人電腦市場據有率達到了60%以上，授權著名多媒體軟件公司Cyberlink開發立體視頻播放器，占市場份額的70%以上。

　　項目發明的技術形成的相干產品自投放市場以來，成功應用于消費電子、國防軍事、城市三維丈量、影視動漫、產業制作等領域，項目成果造成的產品應用領域和市場份額正在不斷擴展。

在新的科學征途上一往無前

　　立體視頻技術項目團隊的發展強大，蘊含了“老中青少”四代清華自動化人的理想與激情。老先輩張乃堯、徐文立，與自己同樣人到中年的爾桂花，年少有為的季向陽、劉燁斌……說起多年來并肩作戰的團隊骨干，戴瓊海滿懷快慰與感謝。

　　清華大學主樓724、725試驗室是他們的主要“依據地”，團隊中也由這兩個“番號”衍生出一個喜聞樂見的典故：“724”，就是放松每周7天、天天24小時的時間，盡力拼搏不放松；“725”則要在此基本上更進一步，“把24小時當成25小時來過”。高效再高效、斗爭再奮斗、集約再粗放、發明再創造，724和725見證了團隊成員多年來一直奔馳的姿勢、不懈翻新的腳步。

　　從這個優秀的群體中，先后走出了17名博士后（其中3名清華大學優秀博士后）、8名博士（其中兩名清華優良博士畢業生）和41名碩士。團隊還為國家播送電視系統舉行了四屆工程碩士班，培育出百余名工程碩士。

　　“每當我深夜走出主樓，回望還有良多亮著燈的實驗室，我清楚我只是清華浩瀚星空中的一顆。在從前幾年的學術生涯中，我對清華人愛崗敬業，敢于創新的品德有了更加深切的感悟。”這是團隊成員、自動化系2009級博士曹汛在清華大學2012年研究生畢業儀式上的一段肺腑之言。年青的曹汛目前已是南京大學的一名副教授，秉承清華人“愛國貢獻，尋求出色”的傳統，在新的工作崗位上持續追揮灑著幻想與豪情。

　　面對國家技術發明一等獎的聲譽，團隊成員們想得更多的，仍是中國在這一領域的將來發展，他們更樂意把這次獲獎看作是推動政產學研用嚴密合作，加速立體視頻技術成果產業化的重要契機。“一方面，我們會判若兩人、盡力而為地推進立體視頻技術的技術創新，為加速推進立體視頻技術成果的應用和產業化作出新的更大的奉獻；另一方面，我們也將一直秉承清華‘發奮圖強，厚德載物’的校訓，在新的科學摸索征途上一往無前。獲獎只是一個新的出發點，創新路上還會有更多的挑釁與播種等候著咱們。”戴瓊海動搖地說。

（清華消息網1月19日電）

編輯：襄樺

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