大学文化
特稿 | 探月、探火,“深空快递”编码者,西安电子科技大学图像所图像压缩技术发展侧记

IMG_258

0卷首语

每一次卫星发射,人类,都希冀看到一个更远更大的世界。

当距离从千里之外,跃升万里之外,再跃升到以光年为计,要将现代技术下人类借助设备所看到的图像打包发回地球,带宽永远跑不过图像精度进步的脚步。

于是,图像压缩与还原的战略价值凸显出来。

航天,生来就是大国较量的逐鹿场,技术壁垒之下,编码者的背影出现了。每一张/帧来自太空愈加清晰的图片与影像,都离不开算法与芯片的加持。在中国秦岭北麓,电科高地的科研大楼里,生活着一支编码者队伍,他们夜以继日,在编码的世界里,数十年如一日地为一件事而殚精竭虑。这支队伍的名称是图像传输与处理研究所,负责人是李云松教授。01

1984年,国家指示要在部分高校成立“图像传输与处理”专业。我校通信工程系就决定由吴成柯负责创建“图像传输与处理”研究室(图像所前身),并负责该专业的建设工作。当时任系主任的陆心如也参与该室的创建工作。作为主要的创建人,吴成柯开设了“图像通信”“图像与图形处理”的本科和研究生课程。无论是研究所和专业的创办,还是有关课程的开设,作为我国首批,我们走在了国内高校图像传输与处理技术研究的前列。

IMG_260

▲《关于筹建图像传输与处理专业所需经费的报告》(西电档案馆馆藏)

吴成柯1956年由安徽省休宁中学保送进入解放军通信兵学院(西安电子科技大学前身),1962年留校任教。1980年至1982年在美国宾夕法尼亚大学做访问学者,在其计算机和信息科学系的著名教授R·Bajcsy实验室从事图像处理的研究工作并取得了较好的研究成果。这为回国后建设“图像传输与处理”学科方向打下了较扎实的基础。

IMG_261

▲吴成柯教授(西电档案馆馆藏)

除了吴成柯和陆心如教授,通信工程系胡征教授从事图像处理领域研究的博士生和博士后郭雷、马军、卢朝阳、徐正伟、郭宝龙和罗笑南等也在图像所参加工作。当时在图像所工作的年轻教师除郭雷、王军宁、刘倩,还有从计算机系分配过来的周洪波和肖东波等。图像所在80年代末成功完成了我国首个新华社从新疆到北京的新闻图文图像压缩传输系统。

IMG_262

▲《关于吴成柯同志出席国际会议事》(西电档案馆馆藏)

时间来到1992年,经过八年的努力,图像所取得了长足的发展。图像所取得的第一个重要成果是一套荣获1989年机械电子工业部科技进步二等奖的“矽肺诊断系统”,该项目开始于1986年,是国家经委的重点项目,项目经费18万元,在那个年代属于较大的经费支持,保证了项目的圆满完成。

IMG_263

▲1986年科学研究计划(西电档案馆馆藏)

IMG_264

▲《中国电子报》1988年4月22日头版报道《矽肺诊断系统达国际水平》(西电档案馆馆藏)

图像所从1995年开始进行图像压缩领域的研究工作当时我国的卫星图像压缩技术还比较落后,与国际先进水平还相差较大,急需提高我国的图像压缩技术水平。图像所急国家所需,先后承担了多项国家图像压缩技术的科研项目。

IMG_265

▲《关于设图象传输与处理研究室称号的批复》(西电档案馆馆藏)

在宇航的世界,人类把各种各样的飞行器送入深空,目的是看到更清而更远的世界,带宽永远是不够用的,图像压缩是对抗带宽噩梦的利刃,图像压缩作为航天之桶上一块重要的板子,其为关键技术之一的定位有目共睹。

90年代初,美国DARPA公布了新的十大技术预研领域,图像压缩技术位列其中。

美国DARPA,现实版神盾局,汉语全称美国国防高级研究计划局,总部位于弗吉尼亚州阿灵顿县,成立于1958年,隶属于美国国防部。多年以来,它以负责研发用于军事用途的高新科技而著称,它的基本任务是专注于“科技引领未来”,开拓新的国防科研领域,为解决中、远期国家安全问题提供高技术储备,研究分析具有潜在军事价值、风险大的新技术和高技术在军事上应用的可能性。

1992年的秋天,当十八岁的东北小伙子李云松拉着行李箱出现在西电校园的时候,他不知道他将很快成为吴成柯老师的课代表,他将走进吴成柯的视野,与之结下横亘一生、犹如父子一般的师生之谊。02

李云松,辽宁葫芦岛人,祖籍山东,1974年生人。

在中国有一个词叫特大型国家骨干企业,辽宁锦西化工总厂就是这样的一个存在,一个庞大的小社会。李云松的父亲从今天的大连理工大学毕业进入这里的化工研究院工作,母亲则是工厂的工程师。

生在这样一个有着数万职工的超级大工厂里面,李云松的童年是这样度过的:去工厂可以容纳上百人的大澡堂子洗澡,骑着自行车在偌大的工厂家属区穿梭,在工厂的电影院看电影则成为时不时文化生活的快乐时光。

在这样的小社会长大的孩子,身上镌刻着集体主义的烙印。父辈们为国家建设的奔赴是最好的爱国教育的读本,长大后为国家做事成为幼小心灵中的应该应份。

李云松的中小学时代是在厂子校完成的。

在中国基础教育的发展历史中,厂子校尤其是这些重点企业的厂子校在一个历史时期内具有很高的教育水平,并形成了有别于市重点高中之外的风格独具的教育文化。

IMG_266

▲1996年应届本科毕业生推荐免试攻读硕士生名单(西电档案馆馆藏)

1992年,18岁的厂子弟李云松从黑土地的渤海之滨来到了黄土地的渭水之畔,从此就再也没有离开,十年光阴本硕博,30岁的副教授李云松正式担纲,开始了“嫦娥一号”实时干涉多光谱图像压缩系统的研制工作,一年后,他成为西电通信与信息系统学术带头人,下一个十年的终点,教育部长江学者特聘教授的履历将写进这位副教授的档案袋。

IMG_267

▲李云松研究生就业报到证(西电档案馆馆藏)

其势如松,枝干云天当望厚土为培。

李云松真正让吴成柯投来欣赏目光的那一刻出现在1999年,此时他已经是吴成柯的博士生。一个系统级的技术难题被从研究生阶段才开始介入图像压缩处理研究的李云松在几天内破解。从事技术研发这一行,聪明是一个基本的准入条件。用吴成柯的话来讲就是,对于一个问题有些人几年也解决不了,有人几个小时就能解决,这就是聪明。但光有聪明行不行,吴成柯的观点是不行。

在聪明之外,吴成柯的技术发展观里的核心词是德。

一个做深度技术研发的人必须得有德,这个德从对国家的热爱到日常的品性,决定了在关键时候,在技术之路的十字路口的战略定力,决定了一个人遇到问题是首先甩锅推卸责任还是从自身查找问题去找寻解决办法。

IMG_268

▲李云松教授(西电档案馆馆藏)

多年以后,吴成柯这样评价图像所后继的负责人李云松:

在聪明之外,品德很好,私心很轻,性格沉稳,能团结人。

而言及图像所之所以能够在中国航天领域承担重要工作,这一切都与一次参观密不可分。历史总是给有准备的人开窗,在90年代中期的一天,西电图像所迎来了一批重要的参观者。

504所,中国航天领域卫星载荷和空间数传方面的国之骄子。

1995年,全中国的科研人员都在为国家即将展开的“九五”计划(1996—2000年)的科研项目做着准备工作。彼时,吴成柯带着学生设计并实现了一个矢量量化方法的图像压缩硬件系统,李云松出现在了参研的学生名单中。后来,这套硬件系统被前来参观的504所负责卫星图像传输的陈泓和张有峰看在眼中,他们不禁感叹:

你们现在做的压缩系统就很好!

这种肯定造就了机遇。

IMG_269

▲李云松和吴成柯在实验室

九五”计划国家863航空航天领域的重大专项“详查/普查结合型系统”中的图像压缩系统,原来由504所承担,1996年也确定转由西电图像所承担完成。所完成的图像压缩系统参加了2001年北京举办的863计划十五周年成果展。

吴成柯有意培养学生,当时任国家领导人江泽民出现在展台前的时候,年轻的李云松站在了讲解席。

在电科院组织开展图像压缩领域研究的同时,总装航天局也开始以竞争评比和补偿合同方式组织图像压缩的研究攻关。

一场比拼就此不动声色地拉开了帷幕。

研究课题同时有五六个单位参加,其中包括国防科大、北航、哈工大这样的强有力的竞争者。测试评比的原始图像数据由总参二部临时提供,各单位将研制出的压缩软件交总装委托的测试专家组盲测与打分,评出的优胜单位才能获得一定的经费资助,并进行下一步项目的研究。西电图像所项目组在多次评测中都取得第一,得到了总装的持续资助。此后,他们更是和504所合作研究实现了我国第一个高效的8倍压缩比的卫星图像压缩系统,并随后获得了2001年国防科技进步二等奖和2002年的国防科技进步三等奖,该项研究成果表明图像所从90年代后期开始研究的基于小波变换的图像压缩方法已经具有重要的应用价值。

从“九五”计划开始,在近十年的图像压缩技术的研发之路上,国家每年都会对国内高校及院所的研发团队进行打分评比,西电图像所多年一贯保持第一的优势终于在2004年迎来新的发展机遇。

03

2004年,当“嫦娥一号图像压缩系统”研制的合同出现在图像所会议室的会议桌上的时候,李云松、刘凯以及吴成柯都明白这将是一场冲锋,而且只能胜,不能输。

当研制工作来到调试阶段,奇怪的问题出现了。

在嫦娥一号进入电性件的大量测试时,发现系统偶尔会出现误码。李云松带领团队成员到北京的联调实验室花了整整二十天,熬夜查找问题,最后终于解决了导致偶然出现误码的问题。

但这种偶发问题到底会不会在实战中幽灵般地再次出现,每个人的心里都捏了一把冷汗。

2007年10月24日,这一天是嫦娥一号卫星发射的日子。

IMG_270

▲嫦娥一号模型(图源于西电博物馆藏品管理系统)

IMG_271

▲玉兔一号模型(图源于西电博物馆藏品管理系统)

在北京国家天文台的卫星发射控制中心,在庆祝卫星发射成功的欢呼中,李云松终于松了一口气。这样的时刻,此后,李云松还会多次经历。

2010年10月1日嫦娥二号成功升空,而西电图像所研制的图像压缩系统是否成功工作要等到10月24日凌晨1时22分CCD摄像机开机工作后获取月面图像传回地面才能知晓。提前到达国家天文台地面应用系统运控中心的吴成柯和李云松心中的忐忑不言而喻。12点半左右,密云、昆明监测站的实时数据就不断地在大屏幕上显示了,“密云报告,工作正常”。“昆明报告,工作正常”……现场不时传来监测站的情况汇报。地面副总指挥刘建忠不停地和各观测点通话。再到三分钟倒计时……一分钟倒计时,整个现场鸦雀无声,气氛紧张异常。1时22分,第一幅图像终于传回来了,就在那一刻,现场依然很安静,因为所有人还是不能完全确定图像压缩传输会不会出什么问题。直到出了好几幅图像,月面图已清晰地出现在大屏幕时,现场所有人不约而同地欢呼了起来,拥抱、握手庆贺、合影留念,整个运控中心顿时沸腾了。

IMG_272

▲中国科学院空间科学与应用研究中心用户证明(西电档案馆馆藏)

此时,探月工程副总设计师孙辉先就带着探月工程首席科学家欧阳自远、总设计师吴伟仁、副总指挥阴和俊等领导走向图像所团队。

西安电子科技大学做的图像压缩质量非常好!”

在欧阳自远院士简短有力的肯定之后,一张合影定格这个喜悦的瞬间。

IMG_273

▲庆祝嫦娥2号发射成功现场(左3欧阳自远 左6吴伟仁 左5阴和俊 右3孙辉先 左2于登云 右4吴成柯 左1李云松)

由于深空通信中图像压缩技术及其在航天领域的应用,特别是在嫦娥二号获取优于10米分辨率全月图所作出的贡献,“深空通信压缩与传输技术及应用”成果获得了2012年度的国家科技进步二等奖。

在颁奖前夕,一段师生相让佳话留在了西电的校史上。

在为国家做事这点上,吴成柯与李云松高度神似。他们的低调务实,具有西电人身上某种共通的神韵。这是这座在共和国诞生道路上与之一起成长起来的学府自身红色基因的一部分。遇到问题首先想到的是从自身找问题,寻找解决办法,而不去甩锅。这是师生挂在嘴边惊人一致的语汇与行动指南。遇到荣誉则首先把自己放在第二位,增强团队的力量。

在这样的视野里,李云松认为作为深空通信项目负责人的导师当然应该作为第一完成人。

在这样的视野里,吴成柯认为深空通信项目能否获奖,嫦娥二号图像压缩是标志贡献,当然应该以李云松作为第一完成人。

师生二人都是诚心诚意的,发自肺腑的。

IMG_274

▲“深空通信压缩与传输技术及应用”成果获得了2012年度的国家科技进步二等奖(西电档案馆馆藏)

当初,吴成柯选择了李云松,今天,李云松用卓越的成绩证明了吴成柯的眼光。最终李云松作为第一完成人出现在如此重量级的榜单上,前辈以如此胸襟与远见淡泊名利,提携后学,最终落就红色学府代际精神传承之佳篇。

吴成柯的眼光不仅在于选人上,在技术发展的方向上,他总能慧眼高瞻。

2010年,在上海的黄浦江畔,吴成柯和李云松出差沪上,吴成柯提出现在是时候从图像压缩转向人工智能了。

IMG_275

▲天问一号任务着陆区域高分影像图(西电博物馆陈列)

多年以前,他在宾大校园里看到的那个属于未来的世界,脚步近了。在此后的十余年的时间里,李云松领导下的图像所取得一项项标志性成果,并在探月工程的全部卫星以及中国首次火星探测任务中获得成功应用。为了突破国外禁运限制,实现图像压缩技术的自主创新,图像所在硬件芯片的研发中从中国第一颗宇航级图像压缩芯片“雅芯—天图”到第二代智能压缩芯片“雅芯—智图”的步步为营,一步一步将中国宇航级芯片推向技术世界的先进水平,在破解大国角力中卡脖子问题上,建立功勋。

IMG_276

▲雅芯-天图芯片

而之于李云松,在选人带队伍上,他青出于蓝,传承了来自母校及恩师之源流。

2017年,对于29岁的甘肃姑娘谢卫莹而言,人生站在了十字路口。

从西电博士毕业的她在留校任教的道路上,本科双非的履历让她在竞争中面临压力。李云松并没有区别对待这个勤奋的学生,支持谢卫莹以师资博士后的方式留校。两年后,她以优异的成绩出站,并顺利晋升副教授。2023年,破格晋升为教授,获批国家优秀青年基金。2023年的夏天,在西电通信工程学院的毕业典礼上,作为优秀教师代表,她走向了发言席。

IMG_277

▲祝融号火星探测车模型(西电博物馆陈列)

作为执行院长的李云松,战斗在第一线是他雷打不动的习惯。西安疫情最严重的2021年的冬天,他索性住进了学生宿舍,安抚封闭在室的学生,组织他们开展活动。夜阑人静,学生们休息后,他回到宿舍继续自己的科研工作,这一封闭就是一个月。当他看到研究生在朋友圈诉说网络太卡,十分钟之内联系到相关人员解决问题。当学生和同事们在科研中遇到问题,他如他的老师那样,鼓励的文字总在最需要的时候送达。谢卫莹不止一次在科研受挫最无助的时候收到过来自导师以及导师的导师吴成柯教授的指导和鼓励。

在这样的氛围中,刘凯、雷杰、王柯俨……一个又一个的名单上的字眼被这氛围所吸引,并且成为这氛围的一部分,为图像所近四十年的叙事增加着一个又一个有力而生动的句子。

结束语

2021年,即将以本科期间专业课总分第一名迎来毕业季的李岱勋,获得了保送清华大学深造的机会。

但是,出人意料,他选择放弃这样在别人眼里可遇不可求的机会,继续留在西电硕博连读。他被图像所里这种氛围所吸引,他跟随做科研的谢卫莹老师就是他心中最近的榜样。吴成柯老师送给他一本书,他如获至宝,珍藏有加。他喜欢听这位耄耋之年的老者讲述图像所的故事,如今很多位在人工智能领域颇具建树的人物,曾经都以参观、参研、考察、学习的方式到过这里。在这个新生代心中,他以自己是这里的一员而自豪。明年,他将成为导师李云松的博士生,在这个俊朗的青年脸上,人们看到了一种精神的流淌,这种精神叫做生生不息……

IMG_278

▲采访吴成柯教授(左起:吴成柯、关宏才)

IMG_279

▲采访李云松教授(左起:关宏才、李云松)

IMG_280

▲采访李云松教授团队(左起:李岱勋、关宏才、谢卫莹)