為什麼裸視3D技術將風行小螢幕？

• 文／陳彥諺

我們的生活中充滿了音樂。走在大街上，路邊潮流服飾店家放著節奏明快的流行樂，轉個彎，進入咖啡廳，裏頭播放著的是變化豐富的爵士樂，再戴上耳機，接續手機中上次播放的樂曲，忍不住就跟著旋律搖頭哼唱。

你喜歡音樂嗎？高三的阿辰很喜歡。作為一個喜愛音樂的青少年，他並不滿足於單純的欣賞而已，為了進一步靠近音樂，他還加入搖滾樂社，擔任貝斯手，並且，當談到音樂的相關現象，阿辰總能侃侃說出背後的原理從何而來。

阿辰不僅僅是熱愛音樂的高中生，他的另一個重要身份是——《音樂關鍵字》的男主角。

做音樂的關鍵——理性

《音樂關鍵字》是由客家電視台花費長達三年的時間製作而成，一共八集，每集皆為 10 到 20 分鐘左右，是結合 3D 動畫及原創音樂的科普動畫。

篇幅雖短，但兼具理性與感性，作為自然科學與人文藝術的對話與結合，《音樂關鍵字》內容一點都不馬虎。除了透過角色之間的有趣互動，傳達有歡笑、有淚水、有世代溝通等橋段的溫暖故事外，更藉由故事為引子，每集說明 2 至 3 個音樂相關的科學知識。

許多人談到「音樂」，便認為那是「感性的產物」，言下之意是，音樂似乎是由抽象的情感所主宰，不過如果要能掌握聲音、有效率的做出自己想要的音樂，背後牽涉的其實是理性的科學原理——理性，是建立認知的基礎。

試想，當我們心中有著豐沛情感，想藉由音樂表達出來，該怎麼做呢？首先必須正確了解聲音本身的性質，包含了響度、頻譜、直達聲音、殘響、泛音、共振等聲學知識，也須掌握人體的前庭系統、酬賞系統等生理層面的認知後，才能正確地欣賞、理解且運用，讓音樂順利成為表達情感的媒介。若不能正確掌握音樂知識，便容易發生「怎麼好像怪怪的？」卻說不出所以然，也無從改善的窘況。

科學知識不複雜，《音樂關鍵字》用故事解答

音樂的科學知識聽起來很複雜嗎？一點也不。在《音樂關鍵字》的動畫裡，生硬的聲學知識、艱深的人體系統概念等，透過專業物理教師、音樂顧問提供的知識概念，再經劇組人員以生活事件及場景串連，音樂的科學知識便能在短短十分鐘內，讓人看著影片就已輕鬆掌握。

比如，EP06〈你好，我叫江東平〉中，藉由青少年阿辰與患有自閉症的江東平，兩人攜手協作共創一曲的故事，讓大眾看見自閉症學童的狀況，以及「音樂」可以如何有效治療，協助自閉症患者逐漸融入常人生活。

江東平是高功能自閉症，智商其實和一般人無異，不過由於大腦內的聽覺區附近、額葉、邊緣系統的結構或功能異常，導致自閉症患者出現了社交溝通及語言使用的障礙。腦科學研究進一步指出，在音樂治療的過程，可增強聽覺區附近、額葉、邊緣系統三者的連結，因而增強社交能力、共享式注意力、語言能力等。

青春總是充滿騷動與不安，也因此許多青年朋友們很著迷於重金屬音樂，不過，要如何發出如同野獸般的嘶吼聲同時不傷及喉嚨呢？為什麼當主唱用吼音唱歌，就會聽不清楚歌詞呢？EP03〈吼〉這一集中，從發聲原理切入，給了觀眾十分詳盡的解答。

由於人類有真聲帶與假聲帶，假聲帶位於真聲帶之上。當肺部空氣受到擠壓，從氣管上衝，通過聲帶之間的夾縫造成振動，便會發出聲音。振動真聲帶所發出的聲音，因為振動頻率固定，有清晰的音高，不過吼音特別會用到假聲帶，而假聲帶的振動往往不規律，發出的聲音不具清晰的音高，在音階與聲調不明顯的情況下，就難以聽懂吼音所唱出的歌詞了。

《音樂關鍵字》的開篇 EP01〈尋聲〉則是一個在具有科學教育性同時，格外感人的故事。

阿辰喜歡捕捉聲音，自己存錢買了一套錄音設備錄製動物的聲音。某次，在他潛入森林，偶然遇到了一座廢墟，裡頭的鬼魂央求阿辰在陽光出來前，替他們錄製作品。

由於鬼魂不能移駕到專業錄音室，阿辰只能以簡易設備錄音，他注意到了「場域」的限制。由於聲波在遇到障礙物時會反射，當聲波在封閉且無吸音物品的空間裡，便會快速地從四面八方反彈，當反射的時間間隔少於 0.1 秒，就會產生混合餘音，造成「殘響」。不過，阿辰利用他的音樂知識解決問題，順利替鬼魂們錄音，也是在錄音同時，阿辰才發現自己已經遺忘許久的秘密。

最終章 EP08〈搖滾夢想〉，阿辰與高中社團夥伴們站上了搖滾舞台，他們用充滿破壞性與雜質的音樂榮獲第一名，而出生醫生世家的阿棋是他們的重要音樂夥伴。

不打算考醫學系的阿棋，家裡的人並不了解他喜愛的搖滾樂，卻願意支持他走一條不同的路，因為阿棋就像是搖滾樂中不能沒有的「雜質」，特殊而豐富的雜質，會使得搖滾樂聽起來格外有渲染力。一個乾淨清楚的樂音，在頻譜軟體上看來是一系列頻率成整數比的泛音，但搖滾樂中為了追求聽覺的刺激，會以特殊演奏技法、效果器等，讓相鄰泛音之間出現雜質，以表現音樂張力。

各大平台皆可收看《音樂關鍵字》

《音樂關鍵字》除了科學知識內容豐富扎實外，3D 動畫也別具風格，視覺也是享受，此外，節目中選用的音樂類型多元，貼合現代人的閱聽喜好，更由專業音樂人譜曲、填詞、配唱，內容好看又好聽。

目前《音樂關鍵字》已上架到客家電視台、Youtube 頻道囉，只要搜尋節目名稱，即可找到收看連結！

• 音樂關鍵字- 客家電視台
• 《音樂關鍵字》
• 暢歌實驗所 Hakka Music Lab

此外，精心製作的節目原曲，也可上 StreetVoice 或 節目官網 收聽喔！

• 撰文｜許世穎

本文轉載自 CASE 科學報 《天有多大？宇宙中的距離（2）—從太陽到鄰近恆星》

「視差（parallax）」是天文學家常用來量測距離的好工具。藉由視差，我們得以精準的量測地球到太陽的距離，再更進一步量測周遭恆星的距離。目前直接量測距離的方法中，視差是能量測最遠的一種，目前的極限大約是 1 萬光年。天文學家利用視差的概念已經很久了。然而在中古世紀，視差量測的結果卻讓當代的天文學家得出了「地球不會動」的結論……

太陽的距離：金星凌日、視差法

前作〈天有多大？宇宙中的距離（1）—從地球到太陽〉提到，我們可以在金星凌日的時候，藉由「視差（parallax）」來量測地球與金星的距離，並間接得到太陽的距離。「視差」就是「因為觀察位置不同，讓看到位置也不同」的現象。讀者們可以試試看，伸出一隻手指頭比個「1」、放在眼前大約 50 公分左右的地方。接著兩眼輪流交替閉上。如果讀者們真的有照做的話，應該會發現手指頭相較於背景來回大幅度地跳動。仔細觀察的話，會發現背景並不是不動，只是幅度很小而已。

從這個實驗我們得到幾個結論：（1）從不同的眼睛看出去，看到的物品位置會不同。這個現象就是視差；以及（2）距離愈近的東西，這個差異會愈大，也就是視差愈明顯（如圖 1）。我們可以根據這個視差的效果，來推算出物體的距離。

其實這也就是我們的眼睛判斷距離的方法！每個不同距離的物品從我們的左右眼看出去的位置差異不同。這兩個影像經過大腦判斷後，我們就可以得到距離的資訊。這也是 VR 實境立體畫面的原理。開發者先計算出每個物件在各自的距離下，兩眼會看到的視差效果。接著根據計算結果給予兩隻眼睛看到不一樣的畫面，我們的大腦就會自動合成出立體的圖像！

「兩個觀察位置的距離」稱為「基線（baseline）」，會影響視差的效果。一般而言，基線愈長，看到的視差就愈明顯。前面說到：「距離愈近的物品，視差會愈明顯。」換句話說，距離太遠的東西，視差就愈不容易觀察到。天文學家盡可能的把基線拉大，在兩個相距很遠的地方觀察天體，才能更精確的得到這些天體的距離。金星凌日發生的時候，科學家就是在地球找兩個相距很遠的地點做觀測，才有辦法測量出較為精確的金星視差，換算成金星的距離，最後計算出地球至太陽的距離。

鄰近恆星的距離：視差法……？

恆星當然也有視差了。提到量測恆星的視差，一定要提到 16 世紀著名的丹麥天文學家第谷．拉赫（Tycho Brahe）。當時還是個在爭論「地心說」、「日心說」的時代。他想利用恆星的時差來推論「地球到底會不會動」。如果「日心說」是對的，那麼隨著地球位置的不同，應該要看到恆星的視差。如果「地心說」才是對的，那麼因為地球的位置不變，不管怎麼觀察，恆星都不會出現視差。

在「日心說」的假設下，最遠的兩個觀察點是哪裡呢？可不是地球的兩端，而是「相隔 6 個月的地球」！可以想像，如果地球繞著太陽每一年繞轉一圈的話，那麼相隔 6 個月的地球會在太陽的兩端，這個間距可比地球的兩端大多了（見圖 2）！既然兩個觀測點是地球在太陽兩端，就代表基線（兩個觀測點間距）就是 2 倍的「日-地距（地球到太陽距離）」。用前面的方法得到的「日-地距」愈精確，那麼藉由視差法測出來到恆星的距離就能愈準。

為了精密的量測恆星的位置，必須要有非常良好的天文台。第谷可是丹麥的貴族啊！他直接花錢蓋了一棟天文台來量測、紀錄星星的位置，卻發現怎麼樣都量測不出恆星的視差。這代表了兩個可能性，一個是「地球不動」，另一個可能性就是「恆星太遠」。第谷認為，如果恆星真的這麼遠，而我們在地球上還是看得到的話，這些恆星未免太大了！他認為這不太可能，因此認定「地球不動」。

那到底哪裡出錯了呢？用一個簡單的例子來說明：「拿捲尺去量一張紙的厚度，當然怎麼量厚度都是 0 公分啊！」其實第谷的推論完全合理，量測不到恆星視差的原因真的就是因為「恆星太遠」，所以視差太小而無法看到。從現代的數據我們可以回推他當時的情況，太陽以外最近的一顆恆星是位於「半人馬座」裡的「比鄰星（Proxima Centauri）」，距離是 4.22 光年。產生的視差比第谷使用的天文台精密度還要更小了好幾倍！他所推估這些恆星的大小從現在眼光來看也非不合理，只是真的難以想像。

現在的我們有了更良好的儀器，已經可以靠視差來推算恆星的距離了。不過視差法曠日費時，倒也不難理解，畢竟要有好的基線要等半年啊……而且儀器的辨識率也是有極限的，目前視差法的極限差不多是 10 微角秒（1 角秒為 1/360 度） ^[2]，相當於十億分之一度！換算成能量測到的距離極限，差不多是 1 萬 6 千光年左右。聽起來很多嗎？銀河系的直徑約 10 萬至 18 萬光年，這個距離極限連銀河系都看不穿。所以視差法雖然好用，但只能拿來測量鄰近恆星的距離（見圖 3）。

視差法是直接量測距離的盡頭了。想要把銀河系看穿、想要知道銀河系中其他成員們的距離，我們得開始「間接量測」。先做出一些物理學上的假設，才能夠「猜」出距離。想要知道更遙遠的距離，則需要更多的假設，這個概念叫做「宇宙距離階梯（cosmic distance ladder）」。下一篇文章中，我們將帶大家進行恆星的「人口普查」，並且利用普查結果來得到更遙遠的距離。

參考資料

1. pixabay / martinklass
2. wiki / Parallax
3. 網路天文館 / 恆星的距離測量

本系列其它文章
天有多大？宇宙中的距離（1）—從地球到太陽
天有多大？宇宙中的距離（2）—從太陽到鄰近恆星
天有多大？宇宙中的距離（3）—「人口普查」

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《直擊果蠅大腦運作！光學顯微技術拍出高速的3D動態影像！》
• 作者 / 劉馨香｜科技大觀園團隊

大腦：人類未竟的疆土

當我望著無邊無際的蔚藍海洋、聽到浪花聲、感受微風的輕拂，喜悅地回想起和好友在此旅行的回憶，並決定拿起手機拍下眼前的美景，我是如何感知世界、如何儲存與提取記憶？我的情感、思想、決策與行為是如何發生的？這些心智行為的奧秘藏在擁有 860 億個神經細胞的大腦，是我之所以為我的關鍵。

究竟大腦如何運作？這些神經細胞是如何透過彼此的連結與交互作用產生進一步的功能？進入 21 世紀以來，美國、歐盟、日本、中國等紛紛成立大型且長期的腦科學研究計畫，企圖揭開大腦的奧秘。

我國科技部也推出「台灣腦科技發展及國際躍升計畫」，整合既有研究能量與專業人才，期望建構模式動物至部分人腦的腦神經網路結構及功能圖譜，並帶動腦部疾病的精準醫療。

光學顯微鏡：小動物腦研究的利器

想要全面分析大腦的結構與訊號，解開單一或一群神經細胞的連結情形，精良的觀測工具是其根本，因此臺大物理系教授朱士維致力研發先進的光學顯微鏡技術。

朱士維表示，常用於醫療的影像技術，像是正子造影（PET）、磁振造影（MRI）、超音波等，雖然可以穿透很深的物體，但是解析度不夠高，無法看到單一細胞；而解析度極高的電子顯微鏡穿透深度卻很小，只能看到表層。光學顯微鏡恰好介在中間，適合用於研究小動物的腦。近期，朱士維的跨領域團隊發表了數個嶄新的顯微技術，分別在解析神經訊號和結構有了重大突破。

飆速3D攝影，解析神經的功能性連結

首先，研究團隊發表了「高速體積成像系統」，是全球第一次可在活體果蠅腦中以毫秒解析度取得神經結構 3D 高速動態影像！

「高速體積成像系統」是由雙光子顯微鏡與「可調變的聲波漸層透鏡」（TAG）結合構成。拍攝二維的動態影像並不稀奇，厲害的是，研究團隊如何把二維變成三維？關鍵就在於「可調變的聲波漸層透鏡」。由於液體透鏡的密度，會決定光的折射率，進而影響焦距的長短，研究團隊透過壓電材料激發液體透鏡共振，當透鏡的密度不斷變化，焦點也會快速移動，其振盪頻率可高達 100 kHz – 1 MHz，也就是說，在 10 萬分之一秒以內即可完成焦點的來回移動。

一般雙光子顯微鏡每拍攝一次只能拍到水平面（xy 軸）的像素並組成二維影像，若加上「可調變的聲波漸層透鏡」組成「高速體積成像系統」，即可同時進行深度（z 軸）的來回掃描，在同樣的時間內拍攝出一個包含各個深度的體積三維影像。 

這項強大的技術對於研究神經與神經之間的功能性連結非常有用，譬如說，想了解果蠅如何處理嗅覺訊號，我們可以給果蠅聞一種特殊氣體，以「高速體積成像系統」綜觀其腦，即可找出此特殊的嗅覺刺激會引發哪些下游神經反應。接著，選擇想深入研究的神經，將拍攝範圍鎖定在該神經所在的區域，便可以毫秒時間解析度與微米空間解析度，追蹤訊號在這些神經細胞之間的傳遞順序。 

朱士維表示，「高速體積成像系統」的突破之處，在於可以於腦中劃定任意形狀的空間，並以毫秒等級的時間解析度，看見目標神經中各個神經細胞的電生理動態行為。

研究團隊更進一步發展光學神經激發系統，用光精準地刺激個別神經，再透過「高速體積成像系統」，輔以自動化影像分析，精準定位有反應之神經區域，做到「全光學生理」觀察（all-optical physiology）。目前已成功解析果蠅的視覺神經迴路中，上下游的神經連結與編碼模式。

「高速體積成像系統」以高速動態影像研究神經細胞功能上的連結，為建立果蠅的「功能性全腦連結體（connectome）」提供強而有力的工具。

探入果蠅腦深處，描繪超高解析度的 3D 結構

此外，在結構解析方面，顯微鏡光是能看到神經細胞還遠遠不足。神經細胞有樹突、軸突等向外延伸的纖維，有些纖維寬度只有 100 奈米，當兩條神經纖維緊鄰彼此，需要小於 100 奈米的解析度才能將它們區分開來。而且，神經纖維常常延伸至很遠的地方與其他神經細胞連結，因此顯微鏡的穿透深度，還須深至腦的最底層。

朱士維團隊發表了「深組織超解析光學技術」（Confocal lOcalization deep-imaging with Optical cLearing, COOL），在果蠅全腦中達成 20 奈米的超高空間解析度，剖析腦中神經的細微結構，能分辨出相鄰或彼此纏繞的神經纖維，藉以判斷神經連結的路徑。

「深組織超解析光學技術」結合了四個關鍵技術，包含「螢光蛋白標定」、「共軛焦掃描顯微鏡」、「光學組織澄清技術」以及「定位顯微技術」。

「定位顯微技術」是 2014 年諾貝爾化學獎的得獎項目，透過操縱螢光分子輪流放光，再分別計算螢光分子的中心位置，打破光學顯微鏡的解析度極限，大幅提高解析度至接近 20 奈米。「光學組織澄清技術」則是江安世院士發明的 FocusClear^TM 試劑，因其獨特的化學配方，讓生物組織各部位的折射率一致，呈現透明狀態。

朱士維團隊找出可適用於腦組織的螢光分子並改善其放光能力，成功將定位顯微技術應用在果蠅腦，並且透過光學組織澄清技術讓腦組織透明化，減少組織的散射與像差，提高穿透深度，以及利用共軛焦掃描顯微鏡一層一層地掃描不同深度的影像。最終，組合成三維的超高解析影像。

這項技術最厲害之處在於可穿透厚度約 200 微米的果蠅腦，在果蠅全腦皆達成 20 奈米的解析度，可應用在建立果蠅全腦的神經連結網路。

跨領域團隊　開創顯微技術新紀元

這些研究成果仰賴跨領域的團隊，除了朱士維，還有清華大學腦科學研究中心主任、中央研究院院士江安世、中研院物理所副研究員林耿慧、清大工程與系統科學系副教授吳順吉、清大生醫工程與環境科學系助理教授朱麗安、捷絡生技公司執行長林彥穎等人，共同參與研究。

諾貝爾生醫獎得主 Sydney Brenner 曾說：「科學的進展往往是始自新的技術」，腦科學作為 21 世紀科學界的兵家必爭之地，顯微技術的研發重要性不言可喻。朱士維團隊在動態的神經訊號與靜態的神經結構，皆發展出相應的顯微技術，可說是為腦科學領域開拓出令人期待的嶄新未來。

參考資料

1. K.-J. Hsu, Y.-Y. Lin, Y.-Y. Lin, K. Su, K.-L. Feng, S.-C. Wu, Y.-C. Lin, A.-S. Chiang, S.-W. Chu*, “Millisecond two-photon optical ribbon imaging for small-animal functional connectome study”, Opt. Lett. 44, 3190-3193 (2019). 
2. C. Huang, C.-Y. Tai, K.-P. Yang, W.-K. Chang, K.-J. Hsu, C.-C. Hsiao, S.-C. Wu, Y.-Y. Lin*, A.-S. Chiang*, and S.-W. Chu*, “All-optical volumetric physiology for connectomics in dense neuronal structures”, iScience22, 133-146 (2019)
3. H.-Y. Lin, L.-A. Chu, H. Yang, K.-J. Hsu, Y.-Y. Lin, K.-H. Lin, S.-W. Chu*, A.-S. Chiang, “Imaging through the whole brain of Drosophila at λ/20 super-resolution”, iScience14, 164-170 (2019).