Cô chuyên gia Hải dương học phát triển thuật toán sửa ảnh vượt mặt Photoshop

Derya Akkaynak nhớ như in lần đầu tiên cô được ngắm lòng biển mà không phải nhìn qua làn nước.

Cơn mưa cuối mùa hạ ép cô phải từ bỏ chuyến rong ruổi dọc bờ biển mỗi Chủ nhật, để rồi phải đối diện với thứ đang nhức nhối trong lòng bấy lâu: cô quyết định ngồi chỉnh những dòng thuật toán mình đã phải khắc khổ gõ nên trong suốt 3 năm rưỡi qua. Cô nhập vào những thay đổi mà đã dự định làm từ lâu - những ký tự ám ảnh đầu óc cô nhưng chưa lần nào chúng vận hành trơn tru cả, nhưng lần này đã khác. Hiểu theo một cách nào đó, cơn mưa đã gột sạch nỗi lo lắng thấp thỏm của Derya Akkaynak.

Tấm ảnh chụp san hô lòng biển, vốn méo mó và mờ mịt vì ống kính phải nhìn xuyên làn nước, bỗng hiện ra sặc sỡ bất ngờ. Giọng cô Akkaynak vẫn đượm cảm xúc, y như ngày đầu cô được nhìn khung cảnh trong mơ ấy.

Làn nước chính là yếu tố quyết định sản phẩm cuối cùng có đẹp hay không. Mà không phải khung cảnh dưới nước mọi nơi đều như một; một tấm ảnh chụp lòng biển gần bờ cát Hawaii sẽ rõ ràng qua lớp nước trong, nhưng lòng biển Đại Tây Dương lại đem về những sắc xám rõ rệt. Thậm chí, một khu vực biển trong điều kiện thời tiết khác nhau sẽ đem về những tác phẩm ảnh khác nhau.

Có lúc, phù sa tạo ra một lớp hạt chắn mọi tầm nhìn, nhưng chỉ tới hôm sau, tảo nở rộ khiến con nước thay áo mới từ xanh dương sang xanh lá. Thời điểm trong ngày cũng khiến tấm ảnh khác biệt đi, khi mà Mặt Trời thay đổi vị trí hay góc máy chụp đã lệch đi vài độ. Mối quan hệ giữa nước và ánh sáng quả kỳ lạ, chúng làm nhòe mất màu sắc vốn có của sự vật ẩn dưới làn nước, rồi lại bẻ méo mó cách chúng ta thưởng ngoạn lòng biển. Đôi lúc, các nhà khoa học cũng khó có thể sử dụng ảnh chụp dưới nước vào công tác nghiên cứu.

Được đặt tên là Derya (biển cả) từ ngày lọt lòng, cô gái Thổ Nhĩ Kỳ Akkaynak đã sống tại làng chài Cesmealti suốt nhiều tháng tuổi thơ. Tình yêu thủy sinh vật nảy nở khi cô bé Derya Akkaynak dành nhiều giờ ngụp lặn trong làn nước mặn.

Sau một thời gian cố gắng trở thành một kỹ sư hàng không vũ trụ, cô Akkaynak lại tìm về với tình yêu từ thuở ấu thơ. Đến lúc nghiên cứu khả năng ngụy trang tài tình của loài bạch tuộc, cô mới phát hiện ra khó khăn chẳng giống ai của các nhà hải dương học: chất lượng những tấm ảnh chụp dưới nước quá tệ.

"Bất cứ hình ảnh nào chụp trong làn nước đều bị một lớp xanh lá, xanh dương hoặc nâu nếu như bạn chụp ở vùng nước nhiều bùn, làm hỏng", cô Akkaynak nói. Khó có thể nhìn ra một con bạch tuộc ẩn trong nước, công tác nghiên cứu trì trệ vì lẽ đó. Tác động của nước lên ảnh khiến cô Akkaynak bực mình vô cùng, nhưng cô chẳng thể làm gì ngoài ước.

Vài năm sau, cứu tinh Sea-thru xuất hiện từ chính đôi tay cô Akkaynak. Thuật toán xử lý hình ảnh này khiến ảnh chụp dưới nước rõ ràng như ảnh trên cạn vậy. Phòng thí nghiệm Hình ảnh Hải dương của Đại học Haifa, Israel, dẫn đầu là giáo sư Tali Treibitz, chính là nơi giúp cô Akkaynak phát triển thuật toán tiên tiến này; Sea-thru không chỉ có tác dụng chỉnh sửa màu sao cho đúng.

"Nhiều người vẫn nói rằng, ‘Tôi có thể làm vậy bằng Photoshop mà!’", cô Akkaynak cười nói. Sea-thru là hệ thống có thể chỉnh ảnh bằng thuật toán chứ không phải phần mềm "chạy bằng cơm", nó hiệu quả hơn Photoshop nhiều, và thuật toán dựa trên yếu tố vật lý của cô Akkaynak không cần một bảng màu để tô cho đúng, mà cũng không phải đè màu lên hình ảnh để cho ra sản phẩm vừa mắt nhất. Sea-thru sử dụng các tương tác vật lý giữa nước và ánh sáng, ứng dụng kỹ nghệ đảo ngược để loại bỏ ảnh hưởng của nước khỏi ảnh.

Về cơ bản, thuật toán này hiểu rõ làn nước tác động thế nào tới ánh sáng, và đảo ngược mọi tác động "bẻ cong" ánh sáng của nước. Kết quả cuối cùng: dường như tấm ảnh đáy biển được chụp mà không bị "lọc" qua lớp nước dày.

Những tấm ảnh do Sea-thru xử lý mang sức hấp dẫn riêng. Màu sắc nổi bật, chuyển động của sinh vật biển rõ hơn bao giờ hết, hình hài sự vật rõ ràng chưa từng có. Thế nhưng Sea-thru không chỉ đơn giản vậy, thuật toán này còn làm nhiều hơn là chụp ảnh quay phim sao cho nét; đây còn là công cụ đắc lực cho khoa học. Bằng cách tự động xử lý dữ liệu ảnh đầu vào, Sea-thru tiết kiệm hàng chục, hàng trăm giờ đồng hồ của các nhà nghiên cứu.

"Đó mới là mục đích ban đầu của tôi, là giúp tăng tốc độ nghiên cứu của ngành hải dương học", cô Akkaynak nói. Bên cạnh đó, Sea-thru còn có tiềm năng giải quyết được vấn đề cơ bản của phục chế màu và độ tương phản nguyên bản của ảnh. Sea-thru giúp các nhà khoa học dễ dàng nhận ra con bạch tuộc đang khôn khéo hòa mình vào cái sặc sỡ của đáy biển.

Alex Jordan, một nhà nghiên cứu tới từ Viện Hành vi Động vật Max Planck, chuyên gia về quá trình tiến hóa của hành vi động vật tác động của nó tới môi trường, quyết định tự mình thử nghiệm Sea-thru. Tiện lúc đang nghiên cứu về số lượng cá thể nhện và cá họ Rô phi tại vùng hồ Tanganyika (Châu Phi), anh muốn thử xem thuật toán Sea-thru (nhìn thấu biển) hữu dụng ra sao trong môi trường nước ngọt.

Cá tại vùng hồ nước ngọt già cỗi thứ hai thế giới này đa dạng vô cùng, chúng là đối tượng nghiên cứu lý tưởng cho anh Jordan cùng thuật toán Sea-thru. Video dưới đây là kết quả nhóm nghiên cứu liên tục quay hoạt động của cá dưới làn nước, quan sát hai giống cá đứng rất gần trên cây tiến hóa nhưng lại trái ngược về tính cách, một là loài xã hội còn một chỉ thích sống một mình.

Đoạn phim gốc được chỉnh sửa qua rồi được thuật toán Sea-thru hoàn thiện, những dòng code tâm huyết của cô Akkaynak lọc bỏ những phần thừa, chọn ra những chi tiết chủ đạo, những hoạt động chính của con cá bơi trong nước. Kết hợp việc tăng chất lượng hình ảnh với khả năng xác định mẫu hình ứng xử của con cá, thuật toán giúp công việc nghiên cứu của anh Jordan dễ hơn muôn phần.

Công nghệ machine learning yêu cầu dữ liệu sạch, đồng nhất để học cho dễ (và để kết quả đầu ra được chính xác), nhưng ảnh chụp dưới nước thì chẳng bao giờ rõ ràng được cả. Làn nước ngăn thuật toán xác định hoạt động của một cá thể sinh vật cụ thể; dữ liệu ngày đầu có thể là một con cá trắng đen bơi trong làn nước nâu, nhưng đến ngày thứ hai, hình ảnh/đoạn phim gửi về đã là con cá màu xanh xám bơi trong màu nước đặc sệt ánh nắng rồi!

"Bạn có nhớ ảo giác về cái váy rầm rộ Internet vài năm về trước không? [Chụp ảnh dưới nước] cũng gần giống vậy đó. Bạn đang cố huấn luyện mô hình machine learning phát hiện điểm khác biệt, nhưng ngày qua ngày, các bản thân cái điểm khác biệt cũng đã khác đi rồi. Chúng tôi đau đầu vô cùng", anh Jordan kể lể.

Thuật toán Sea-thru đưa những dữ liệu hỗn loạn ấy về một quy chuẩn, loại bỏ những yếu tố làm hỏng ảnh của nước vốn cả mắt thường lẫn thuật toán machine learning đều khó lòng phân tích được.

Không chỉ ngành hải dương học hưởng lợi từ Sea-thru, ngành khảo cổ cũng có thể ứng dụng thuật toán tiên tiến để nhìn rõ hơn những tàn tích cổ xưa của con người đang yên vị dưới lòng biển.

Zoë J. Wood, giáo sư ngành khoa học máy tính công tác tại Đại học Kỹ nghệ California đã hợp tác với kỹ sư Christopher Clark tới từ Đại học Harvey Mudd và Timmy Gambin từ Đại học Malta để khảo sát khu vực đắm tàu ngoài khơi bờ biển Malta. Hai năm trước, họ phát hiện ra một chiếc máy bay của Anh từ thời Thế chiến thứ Hai, hiện nó đang là mái ấm của cá mú và các loài giáp xác địa phương.

Nhóm các nhà nghiên cứu không chỉ muốn khai quật di chỉ xưa cũ, mà còn muốn dựng nên mô hình 3D, độ phân giải cao của toàn bộ khu vực máy bay rơi; họ muốn theo dõi quá trình thay đổi của "nhân chứng lịch sử" dưới lớp nước muối. Bằng tàu ngầm tự động, họ chụp ảnh chiếc máy bay cổ để dựng mô hình 3D.

Nhưng khó khăn họ gặp phải cũng chẳng khác nào anh Jordan: ánh sáng đi qua làn nước khiến ảnh chụp không được chính xác, mô hình sai lệch thực tế là điều tất yếu. 

Theo lời nhà khảo cổ Timmy Gambin, Sea-thru có thể giúp họ được rất nhiều. Thuật toán sẽ vừa cải thiện mô hình 3D mà lại giảm thời gian xử lý hình ảnh.

Ngoài tiếng tăm thuật toán trợ giúp nhiếp ảnh, Sea-thru còn có thể là cầu nối giữa con người với cái đẹp ít ai thấy được tận mắt của đáy biển. Thậm chí, các hình ảnh, video qua Sea-thru xử lý còn có tiềm năng trở thành công cụ tuyên truyền bảo vệ môi trường hiệu quả; nỡ lòng nào phá hủy thế giới dưới biển sặc sỡ kia?

Anh Jordan trân quý giây phút đầu tiên được ngắm rõ đàn cá rô phi. Cát đỏ dưới đáy hồ Tanganyika luôn bám đế giày anh mỗi lần khảo sát thực địa, việc được tận mắt chứng kiến những con cá rô tung tăng trong làn nước trên nền đáy hồ đỏ sẫm đã khiến ảnh rung động.

Mục đích của thuật toán Sea-thru, của công sức nhiều đêm cô Akkaynak trằn trọc là giúp các nhà khoa học tăng tiến độ nghiên cứu. Việc được chứng kiến màu sắc thực thụ của đáy nước chỉ là một điểm cộng bên lề nhưng chẳng kém phần sống động.

Cô Biển trở về với đại dương của tuổi thơ, gắng sức gột đi cái mờ nhòa của làn nước biếc, vén màn sắc đẹp của thế giới thủy cung nhiệm màu.

Tham khảo Scientific American, Freethink