2014年美国休斯顿大学ECE实验室实习周记——第五周

当生活归于平淡

不知不觉实习期已经过去了三分之一。我们都慢慢习惯了这边的生活，对周围的一些活动也没有以前感觉那么新鲜了。当生活归于平淡，一切都抛诸脑后之时，剩下的唯有更加专注于实验室的工作，努力使这次实习更有意义。进入休斯顿大学实验室也快有一个月了，大家都接触了很多新鲜知识，慢慢熟悉了各自课题的研究方法和常用工具，也完成了老师布置的一些小任务。一个月的时间，李允恺掌握了分析人眼扫描轨迹进而机器学习理解人眼行为的基本研究流程；何梓奇系统学习了GIT等工具，并能熟练使用C++处理大规模二进制文件并进行光谱图像分析；范青君学习了很多集成电路设计课程，熟悉了 Cadence软件的使用；张文杰在努力学习凸函数优化方法，对于城市电动汽车无线充电装置的分布的建模和处理也有了思路；温晨曦这一个月熟悉了实验室测量仪器的使用和实验原理相关的电磁基本知识。虽然我们几个经常开玩笑说自己什么都不会，但实际上我们都算是入了门。相信这一个月的辛勤准备，可以为后两个月更加深入的研究打下扎实的基础。

李允恺

上个周ECE大部分导师都要参加一个会议，导师一直忙忙碌碌，想见一面都无比困难，甚是想念。最奇葩的是有一天早上去实验室发现没有人，就给他发了封邮件问他在哪。结果到了下午他终于回我了：“我在家里一直工作到现在，再给我点时间！”好吧，估计正赶着写文章去开会呢，起来就开始干活了。这周他终于有时间理我了，大好机会，赶紧趁着这个时间推进一下研究进度。

关于如何利用眼睛扫描轨迹建立模式识别模型，判断当前正在看什么类型的图片，我和导师讨论了很久，期间也提出过用线性分类器或者二叉树之类的进行训练等等，但是最终发现重点是在提取什么特征上面。我们还不清楚哪些特征对区分扫描图片类型有较大的贡献，也没什么文章解决这个问题。导师给我的建议就是多试，我就选取了扫描点的位置、停留时间、瞳孔尺寸，以及各个扫描序列的长度、方向等，进行测量。而关于分类则给我推荐了WEKA。

WEKA是由新西兰怀卡托大学用JAVA开发的一个数据挖掘的项目，同时还有一个可视软件。WEKA集成了很多算法，还有一套API，可供研究人员使用。我们选用了WEKA里的二叉树分类器进行我们的研究。

WEKA GUI分析工具

原始数据本身是精确的，但通常又是冗余的。如果不能对数据进行适当简化，则很有可能淹没在数据当中而不能提取出其代表性的特征。所以在提取特征之前我先使用了MultiMatch的思路对数据进行简化，根据距离、移动方向、扫描时间这三个特征将扫描点聚类，得到较为明显的扫描轨迹，数据量也小了很多。接着把我挑选的特征都计算了出来，又煞费苦心地把数据格式转变成分类器的数据输入格式。

在折腾了一番之后，我终于把数据送入分类器了，满心欢喜一分析，结果却让人很受伤。5类图片的区分成功率只有40%不到。查看了一下各个特征所贡献的权重，结果发现基本都是0。就问导师是什么原因。导师回复说这样比较细节方面干扰太大，建议我提取一些平均值、极值等，可以更好的描述扫描轨迹的整体特征。

用于分类的J-48二叉树

我自己也好好想了一下，在提取特征之前扫描轨迹没有经过校准，每个人观察图像时观察的顺序都不一样，所以扫描轨迹可能是乱序的，用各个点的特征去一个一个对比自然不合理。在更全面的选择特征的同时，还要先把各个扫描轨迹进行校准。关于这一点MultiMatch同样做了很多工作，对我很有启发性。嗯，继续努力！

何梓奇

之前完成了BSQ文件的基准线矫正和标准化，这一周导师出差，交给我的任务是BIP文件的相似处理。由于两者原理相近，故而BIP类的所有类方法很快就完成了,同时还添加了两类文件转换的方法。导师将这几个类包装了一下，一个可以执行的小工具就新鲜出炉啦：

导师将开发者的人员中我的名字放在了第一位，让我特别感动。这算是我真正作为开发者编的第一个实用程序吧。

以前我在买电脑时看过这样一句话：如果有绘图游戏之类需要，选一张好显卡；如果电脑的用途是编程，注意保护好自己的硬盘。我曾经一直不理解编程为什么要保护硬盘，直到我做了这个实习。假设一张图片的大小是1M，考虑这个图片在几千个波长下的光吸收率，一下子就变成了几个G的大文件，而我们的处理运行一次相当于读这样大的文件一次，然后再写一次，故而每次运行和DEBUG的时候我都对硬盘心疼得不得了，而导师说这种几G的文件与真正实际处理的图片相比还算小的，后来为了查看处理的效率，直接搬出了一个接近100G的文件，在下班之前运行一次，让明天再来看。第二天发现处理的时间和直接复制文件所花费的时间差不多，还算令人满意。

另外，这一周我找到了一个新的“容身之所”，因为导师的实验室依然没有装修完成，我就临时来到另一个导师的实验室。这个实验室的人全是做电磁的，而且他们全是——中国人！这使我不由得再次感叹中国人真多，这就是全球化大潮流啊。实验室的氛围很融洽，有一种回到了中学课堂的感觉，勾起了我的美好记忆。

范青君

导师这边大概有些按捺不住了，要开始带着手下的两个直博生做一点科研，但Cadence的Design File Set导入尚需时间，眼前则是又发下来一些材料，得抽时间读一读。材料是关于高速电路设计的，人们对芯片的速度与性能的追求是永无止境的，就像中国人的超算已经世界第一了还在孜孜不倦的革新技术一样。电路速度的提升无外乎两个途径：变革工艺和创新架构。前者是制造者的任务，而后者是设计者的追求。随着工艺的发展，芯片越来越小，集成度越来越高，寄生电容对速度的影响也就越来越低，这允许人们提升时钟频率。然而工艺的发展一定是越来越慢的，越是在一定的高度上就越难有所突破，就全球整体水平而言，28nm工艺已经使用三年了，或许到明年才能见到20nm或16nm的产品。毫无疑问的是工艺的发展是有一个极值的，在那以后如果没有新的model，提升性能可能就只能通过设计新架构来实现了，让人不禁怀疑IC这个领域要如何走下去。不过就目前而言，这个方向显然还没到油尽灯枯的时候，IC的发展还有很长的路要走。虽然和导师谈谈IC发展前景，聊聊工艺架构让人挺愉快，但我也希望尽早能做些东西，毕竟在这边给导师添了不少麻烦，要是不做点什么我也过意不去。

周六正赶上一个学姐的生日聚会，学姐邀请我去参加，遗憾的是这次蹭不了饭。这也可以理解，要是两个人（学姐和她的室友）做十几个人的饭，那么星期六一整天也就交代进去了。所以参加聚会的条件是每人带一道菜。无奈我住在宿舍，内置的和烹饪沾点边的器械也就只有所谓的“micro-refrigerator”，这东西我得解释一下，听起来很高端，实际上也就是微波炉-冰箱一体机，再白话一点，就是在冰箱上放一个微波炉，再用螺丝将它们固定在一起。仔细推敲一下这东西还是很符合美国人的饮食习惯的，一大早起来，从冰箱里拿出一点批萨什么的往微波炉里一扔，等两分钟取出，边啃边上学。方便归方便，但这种东西肯定是做不出什么拿得出手的菜的。于是我机智地想起了尘封在旅行包中已久的两条武昌鱼（袋装熟食）和一袋云梦鱼面，这本来是从国内带来送给学长的，奈何实在没有送出去。三样东西用沃尔玛购物袋装起来，准备工作也就算完成了。

到场后发现长长的一张桌子上已经摆满了菜，千张炖牛腩，爆炒基围虾，糖醋排骨，炒粉，番茄鸡蛋……当然我也看出了一位和我一样偷懒的学长带来的显然不是自己做的烤鸡。总的来说气氛很是热闹，只不过我没有想到要拍张照片来炫耀一下，所以这事儿现在说来也就死无对证了。参加聚会的人多半是华科的学长学姐，不过也有几个人我并不认识，比如一个在莱斯大学读phD的学姐，一个已经参加工作的学姐以及一个仍然在语言学校学习并且明年准备报考美国大学的学妹。大家的背景各不相同，祖籍也是来自五湖四海，但在这天晚上能够齐聚此地，毫无隔阂地谈笑风生，确实很难得。

张文杰

这周过得比较紧张，又要完成导师的任务，又要考GRE，还要完成国内必修课的课设，下一个月还有PhD的面试，差点扛不住了。虽然我觉得我导师是按照正常的方式给我布置任务的，和他对待PhD学生一样，但是也考虑到了我只是个大四学生，任务不太重，所以主要问题还是在我们这边。不过也确实需要和导师聊聊了，不然这样子下去实习的效果估计不太好。我觉得实习就是和导师不断沟通交流的过程，提前体验下博士生的学习生活还是挺不错的。

这一周还是在学习convex optimization的知识。如果用这一领域的代表人物斯坦福大学教授Stephen Boys 的原话说， convex optimization就是1.识别凸函数优化问题，2. 建模，3. 求解模型。我觉得他说的话还是蛮精炼的，明确了处理步骤，道出了本质。拿我自己的实习任务类比就是，我要在城市道路上分布线圈，使得它们对电动汽车的充电效率最高。第二步是得出道路线圈分布模型，建立充电效率目标函数与约束，第三步就是利用本门课的知识求解这个模型。

自己之前没学过这门课的先修课程矩阵论，所以导致学习convex optimization的时候连很多基础性的东西都搞不懂，学起来非常吃力。矩阵论可是别人一个学期学的课程啊，我要两周内看完。一个人在图书馆的感觉还是不太适应，这时候真的很想在实验室里有个座位，有了问题能问问学长学姐，可是导师的学生很多，连很多PHD学生都没有座位，何况是我这个实习生。虽然压力很大，不过尽力而为就是了，能做好也是对自己的一个肯定。

温晨曦

这周周一开始，就听说我们实验组准备到医院借MRI仪器来做更深入的实验。于是从周一开始，我和师兄就把东西都收拾好，准备随时出发。不过由于医院安排的影响，实验一直往后推。原本我这周已经对这个实验不抱希望了，结果到周五下午我们还是如愿出发了。

去医院的一行人有陈戟教授、他的一个黑人学生、两个师兄和我。为了这次实验，陈戟教授还专门借来了一辆SUV，把我们一行人和所有需要的实验器材都装进一个车里。到达医院后，陈戟教授一个曾经的学生出来接应，带我们进了MRI仪器的房间。

刚一进房间，就有医护人员来给了我们每人一张表，要求填好才能做实验。表的主要内容就是问你体内有没有各种各样的植入设备，包括人造关节、心脏起搏器等等。幸好我没有动过任何内科手术，所以很爽快地写了几十个“NO”。填完表格后我们就开始了紧张的布置，牵引温度传感器探头、搭设笔记本电脑，固定实验设备等等。

由于这一次实验只是以后更深入实验的一个试水，所以实验内容并没有很多，重点在于了解MRI机器以及整个实验环境。首先我们使用了一根10cm长的铜棍，放在模拟人体血液的胶体中，用于校准整个MRI所产生的磁场。这样校准的原理是：我们可以通过测量铜棒升高的温度计算铜棒处的磁场，随后我们可以利用仿真软件对整个仪器进行建模和仿真并得到其磁场的相对分布，最后利用测得的已知点的磁场来得出整个环境的每一个点的磁场。实验过程并不是很顺利，主要是因为医院方面的温度测量出了一些问题。原本打算利用MRI仪器采集图像来进行温度测量，结果由于大家都没用过（包括医院的工作人员），所以都在查手册。纠结了半天大概出了一个结果，但是下班时间却到了，我们就拿着几个原始数据准备回去后再作分析。本来准备拍些照片，但是师兄跟我说：根据相关法律法规和政策，不能拍照。而且听工作人员说，以前曾经有人拍照放在Facebook上，结果被炒了鱿鱼，所以我在网上找了一张比较相近的图放在这里，也算是“有图有真相”吧……

MRI

出自http://www.waht.nhs.uk/en-GB/Our-Services/Clinical-Services/RADIOLOGY-DEPARTMENT-X-RAY/

总的来说，这次实验让我见识到了传说中的医用MRI仪器和各种高端的配套设备，也让我对整个实验有了更深入的了解，让我十分期待下一次实验。