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「我的相機會轉彎」:MIT創新發明讓你能夠窺視轉角

dr. i
・2012/03/22 ・594字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 502 ・六年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

 

如果哪一天我告訴你,我看得到你在轉角的另一邊在做甚麼,那不會是因為我有特異功能,而是因為我有了這台「飛秒攝影機」,繞過遮蔽物直接拍攝到你,甚至動態影像都沒有問題!

3D 重建影像

它的原理其實不難,首先一個雷射光源將一發一發的脈衝光打在一面牆上,再經由多重反射從待測物體上回到攝影機中。這個攝影機可不是一般市面上買的到的,他可以解析非常快的皮秒(Picosecond)光波訊號,1 皮秒大約是光行走30公分所需要的時間,很快吧!(欲看短片解說請點這個連結

這項技術主要由美國麻省理工學院MIT的團隊所研發,其實「飛秒雷射」(Femto-second laser) 的科技已經存在很久(是的,很多工業和醫學上的用途,例如:美容、無刀近視矯正等等),目前台灣幾所大學和工研院量測中心都有這項技術,但是把它用在這種另類的攝影技術上,真的是很創新呀!

未來他們希望能夠應用在災難現場的救援,以及心血管手術等的視覺輔助工具。

(來源:Nature CommunicationCamera Culture MIT, USA Today

轉載自 :: dr. i ::  新發現 | 新科技 |  新生活 |  新藝術  欲轉貼請註明文章出處

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dr. i
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小時候的啓蒙師父是小叮噹,偶像是馬蓋先,並崇拜發明燈泡的愛迪生,當時志向是發明會飛的車。在歐洲旅居十二年後回台灣,目前投身科技與藝術的跨界整合以及科學教育和傳播,現任國立台灣師範大學科技與文創講座兼任助理教授。dr. i 一輩子最大的幻想,是能夠使用時光機和隱形風衣。如果您恰巧擁有其中一項,請拜託用以下的連絡方式連絡!http://facebook.com/newartandscience

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抓住光的男人:達蓋爾與他的攝影術——《資訊大歷史》
azothbooks_96
・2022/07/03 ・3530字 ・閱讀時間約 7 分鐘

路易.雅克.馬克.達蓋爾

路易.雅克.馬克.達蓋爾(Louis-Jacques-Mandé Daguerre),1787 年 11 月 18 日−1851 年 7 月 1 日。

記錄下真實的影像,將彼時的美好場景長久留存——攝影技術,載著人類幾千年來如夢幻般的希冀越走越遠,一步步幫我們達成所願。

    

達蓋爾出生於法國,學過建築、戲劇設計和全景繪畫,在舞台幻境製作領域聲譽卓著。 1839 年,他宣布達蓋爾攝影法獲得了圓滿成功,從此,作為攝影術的最後一個發明人,他便以銀版攝影法發明者的身份為後人所知。

「我抓住了光,我捕捉到了它的飛行」

一九四五年八月十四日傍晚,日本無條件投降的消息傳到美國,整個美國都沸騰了,紐約的人們紛紛湧向時代廣場慶賀戰爭的結束。一位海軍士兵難以抑制自己喜悅的心情,摟住路過的一位護士小姐就親吻起來。

這個場景被當時在場的兩位記者捕捉到了,他們用手邊的徠卡相機記錄下這一令人難忘的歷史性時刻。一張照片的表達力勝過千言萬語。在人類付出了近一億人的生命代價之後,和平終於再次回到了這個世界上,這種發自內心的喜悅是難以用文字形容的。

時過境遷,今天我們大多數人雖然沒有經歷過那場戰爭,但依然能從這些精彩的照片中深刻地體會到當時人們狂喜的心情。

世界上的任何事情,只要發生過,就會留下或多或少的痕跡。對於這些痕跡的記錄,以前只有筆。雖然也有繪畫,但是繪畫無法在瞬間完成,因此很多描繪歷史性大事件的名畫,都是畫家後來參考文字記載,然後憑藉著想像而創作的。那些畫作再現了當時人們所能夠看到的一些視覺資訊,畫家也難免會按照自我意願對資訊內容進行添加或者刪改。

比如,反映美國獨立戰爭最著名的油畫《華盛頓橫渡特拉華河》,就有多處和歷史事實不一致。比如,華盛頓身邊的門羅(美國第五任總統)當時根本就不在船上,甚至畫作中還出現了當時並不存在的星條旗。這些都是畫家在半個多世紀後憑自己的想像加進去的,這種人為因素,讓繪畫很難做到真實地記錄歷史事實。

延伸閱讀:從此有了攝影:達蓋爾誕辰|科學史上的今天:11/18

《華盛頓橫渡特拉華河》由德國畫家埃瑪紐埃爾·洛伊茨(Emanuel Leutze)於1851年所創作,描繪了美國獨立戰爭。圖/Wikipedia

要做到對真實畫面的記錄,就需要發明一種儀器來自動進行記錄,而不是人們主觀地進行繪製,這種儀器就是我們今天所說的照相機。當然,要想得到照片,光有照相機是遠遠不夠的,還需要一整套工藝將照片處理沖洗出來。這一整套的工藝流程,被稱為攝影術(照相術)。

今天,法國科學院確認的攝影術發明人是法國藝術家路易.雅克.馬克.達蓋爾(Louis-Jacques-Mandé Daguerre)。和很多重大發明的榮譽給予了最後一個發明人一樣,達蓋爾是攝影術的最後一個發明人,而非第一個。在他之前另一名法國人涅普斯(Joseph Nicéphore Nièpce)已經在一八二六年拍攝出一張永久性的照片,但是涅普斯使用的裝置與後續處理技術和後來大家普遍使用的攝影術,沒有什麼關係。

再往前,針孔成像的原理在中國古代的《墨子》中就有了相關記載,但是我們顯然無法把發明攝影術的功勞給予墨子。達蓋爾和前人不同的是,他不是設法得到一張照片,而是發明了一整套設備和一系列工藝流程,這就使得我們能夠通過攝影術記錄下真實的場景資訊,並且能夠以照片的形式完美地呈現出來。

世界上第一張照片《在萊斯格拉的窗外景色》,由涅普斯拍攝。圖/Wikipedia

達蓋爾發明攝影術,並不僅僅為了記錄資訊,而是為了能夠取代當時十分流行的肖像油畫。達蓋爾本人是一位非常著名的建築設計師和全景畫家,他發明了建築繪圖的全景透視法,也就是從兩個(或多個)視角來觀察一個三維的物件(比如一棟大樓),然後將它畫在同一個畫面中。

這和布魯內萊斯基所發明的單點透視法不同。當時畫一幅油畫要花很長時間,如果要在戶外繪畫,更是一件十分困難和艱苦的事情,因為人們還沒有發明出牙膏管裝的油畫顏料,一罐罐的顏料既不好攜帶,也不便於保存。

因此,達蓋爾想,如果能夠發明一種方法自動將所看到的圖像「畫」下來,這樣可以省去一筆一筆畫油畫的麻煩。

當得知涅普斯用很複雜的方法得到了一張可以永久保存的照片後,達蓋爾就找到他決定一起合作研製攝影術。涅普斯則看中了達蓋爾在繪畫界的巨大影響力,作為出版商的他希望能夠借此賣出更多的畫冊,於是十分爽快地答應了。雖然一開始兩個人是各取所需,目的不同,但是因為目標一致,合作也算順暢。

然而不幸的是,當時已經六十四歲高齡的涅普斯沒幾年就去世了,而他們在攝影術方面的研究才剛剛開始。接下來,達蓋爾只好自己一個人繼續摸索研究。

涅普斯最早是用瀝青作為感光材料。因為瀝青在強光的照耀下會逐漸變硬,這樣就能夠把攝影物件的輪廓迅速地描下來,但這樣照相至少要在陽光下曝光幾個小時甚至長達幾天。

一個偶然的機會,達蓋爾瞭解到一百多年前化學家所發現的銀鹽具有感光的特點,將銀鍍在銅版上,然後在碘蒸氣中形成一層碘化銀,碘化銀在感光後就會在銅版上留下影像。這和後來膠捲上塗溴化銀的原理是一樣的。達蓋爾用這種方法將原來涅普斯需要幾個小時才能完成的曝光過程縮短到了幾十分鐘,後來又縮短到幾分鐘。

一八三八年末(或者一八三九年初),達蓋爾將他的照相機擺在自己家的視窗,拍了一張街景照片——《坦普爾大街街景》。

《坦普爾大街街景》。圖/漫遊者文化提供

這張照片拍攝得非常清晰。達蓋爾在處理完照片後,極其興奮地對人們說:「我抓住了光,我捕捉到了它的飛行!」他的這個說法非常形象化,這是人類第一次發明實用的、以圖片方式記錄現實景象的技術。

在這張照片中,這條大道顯得非常寂靜,實際上達蓋爾拍照時,大道上車水馬龍,人來人往,熙熙攘攘,非常繁華。照片之所以沒有能夠記錄下這些人和車輛是因為曝光的時間長達十分鐘之久,移動的人和車輛只能留下淡淡的陰影。當時摩斯看到照片中的巴黎街頭居然沒有人,感到非常吃驚。

今天的攝影家依然採用這種長時間曝光的手法來濾除鬧市中過多的閒人。不過如果你仔細觀察這張照片,就會在左下角發現一個擦皮鞋的人,由於他一直站在那裡不動,因此被拍了進去。這個人成為被攝影術記錄下來的第一個人。

從一七一七年德國人舒爾策(Johann Heinrich Schulze)發現銀鹽的感光效果,到達蓋爾用這種原理記錄下影像,中間經過了一個多世紀的時間。為什麼在這麼長的時間裡沒有人想到用銀鹽感光的性質來記錄影像?

因為這項技術雖然原理並不複雜,但是要變成一個可以記錄影像的工藝過程卻不是那麼簡單。銀鹽感光背後的原因是它們在光照下會分解,其中的銀會以細微的粉末狀出現,這就是人們在感光銅版上看到的黑色部分。但是這些銀粉一碰就掉,不可能形成一張能永久保存的照片。而且由於被感光部分是黑色的,未被感光的部分是白色的,和我們眼睛所看到的景物亮度正好相反(它們也被稱為負片),所以我們難以直接欣賞,還需要想辦法把它還原成我們肉眼所習慣看到的照片。

這個記錄和還原圖像的過程有很多環節而且非常複雜。

達蓋爾最為了不起的地方,就在於他不只簡單發現了一種記錄圖像的現象,或者一個照相機,而是發明了一整套記錄圖像資訊的工藝過程。特別是在成像之後需要用水銀和食鹽在銅版底片上進行顯影和定影。這個過程有很多複雜的技術難題,都被達蓋爾成功地解決了。

今天「銀版攝影術」(又稱為達蓋爾銀版法)一詞,就是以他的名字命名的。

延伸閱讀:第四種元素:銀 —《改變世界的七種元素》

——本文摘自《資訊大歷史:人類如何消除對未知的不確定》,2022 年 6 月,漫遊者文化,未經同意請勿轉載。

azothbooks_96
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漫遊也許有原因,卻沒有目的。 漫遊者的原因就是自由。文學、人文、藝術、商業、學習、生活雜學,以及問題解決的實用學,這些都是「漫遊者」的範疇,「漫遊者」希望在其中找到未來的閱讀形式,尋找新的面貌,為出版文化找尋新風景。

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水的性質國中不是學完了嗎?竟然還跟「量子效應」有關?
linjunJR_96
・2021/10/03 ・2111字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

圖/Pixabay

水這種物質看起來再平凡不過。人們每天洗澡、澆花、游泳、沖咖啡,無時無刻不跟水相處在一起。人體中還有地球表面上大部分都是水,事實上,它可是宇宙中第三多的分子。

不過,時至今日還是有許多頂尖的科學家在進行水的前沿研究。你以為他們領了政府與學校的研究經費,是為了探索未知的星系或癌症的解藥,但他們其實在研究無聊的水。這可不是因為他們是薪水小偷,而是水分子雖然十分常見,但它的許多獨特性質在科學上還未有定論。

三態間的未解之謎

你可能會覺得:「水的性質不是國中就都教過了嗎?」。不過就跟所有其他東西一樣,事情並沒有課本寫得這麼簡單。從固態的冰講起,就有十幾二十種結晶型態。就像石墨加壓會變成鑽石,普通冰塊在高壓下也會轉變成其他的結構。另外,關於過冷(低於冰點卻不結冰)這種奇怪的現象,至今也還沒有完全清楚的實驗和理論圖像。

結冰的過程已經這麼捉摸不定,蒸發更是如此。雖然我們知道衣服晾在外面會乾,但對於水蒸發的速率,卻沒有一個精準的描述。水的蒸發是源自分子碰撞時,某些分子被撞出液態的水,因此蒸發速率可以寫成分子碰撞的多寡乘上某個實驗常數。要決定這個實驗常數聽起來像是個簡單的高中科展題目,但以往的許多結果卻時常出現分歧,差距高達三個數量級(也就是一千倍)!

我們經常以水作為物質三態變化的例子,但其中的細節其實還有待研究。圖/WIKIPEDIA

如果想用電腦進行理論模擬則會出現另一個問題,例如我們模擬 18 公克的水如何蒸發(喝水一口都比 18 克還要多),就必須同時計算 6 × 1023 個水分子的狀態,以目前的電腦運算力難以負擔。想要解決蒸發的難題,需要一些相當進階的實驗與理論方法,而這也是科學家目前正在努力的方向。

除了轉變至固態與汽態的過程之外,就連最普遍的液態水也有許多捉摸不定的型態。科學家在瞬間結冰的水中發現兩種結構,兩者密度高低不同。由於瞬間凝結的冰沒有時間排列成整齊的固態晶格,所以能夠保留原本液態時的分子排列模式。也就是說,原本的液態水也有分兩種結構。這種結構上的差異被認為與過冷機制密切相關,相關的實驗不久前也剛登上 Nature 期刊 [1]

水分子間的量子效應

要對水的這些奇特性質建立更好的理解,得先了解水分子微觀上的交互作用。水分子是由一顆氧跟兩顆氫組成一個米奇形狀,其中氧帶較多負電,氫帶較多正電,所以相鄰的水分子會感受到來自鄰居的吸引力,也就是所謂的「氫鍵」。靠著分子間的氫鍵,水才能夠組成上面提到的各式結構。

水分子間的氫鍵(標示 1 處)3D 模型。圖/WIKIPEDIA

不過,用來解釋氫鍵的質子與電子,都是量子力學適用的尺度,而氫原子的嬌小身材,讓其中牽涉到的量子效應變的特別顯著。有許多人認為,如果將量子效應納入水分子結構理論模型,或許就能解釋水展現出的諸多特性。近期,史丹佛直線加速器中心(SLAC)的實驗團隊首次對水分子氫鍵的振動進行直接觀測,從實驗上踏出了重要的一步。

發生在皮秒間的氫鍵震盪

這次實驗首先得射出一道比頭髮細一千倍的迷你水柱,作為探測的樣本。在這麼細的水柱中,每個截面可能只有幾萬個水分子。水柱中的分子間氫鍵被外加的雷射刺激並進行振動,實驗團隊接著便能用高能量的電子束作為「探測槍」,利用電子束散射的結果,分析水分子每個瞬間的分子結構。

圖/Pexels

這種觀測方法可以達到分子等級的解析度,而這次實驗直接聚焦在三顆水分子之間的拉動牽扯。受到雷射刺激時,氫原子會先將鄰近的氧原子拉近,再拉開距離,一切都在幾皮秒(10-12 秒)內發生。針對氫鍵長度的這種收縮震盪,研究團隊進行了一系列的探索。

透過電腦模擬,他們發現氫鍵拉扯的幅度比較符合加入量子力學的模型,為水分子結構的量子效應提供初步的證據。

拉開水分子量子性質的研究大門


以往研究分子結構需要仰賴光譜學的間接轉換,而以皮秒為單位在進行震盪的微小氫鍵,在實驗觀測上是一大挑戰。這次的裝置首次對液態水的氫鍵距離震盪做出直接的測量,也為科學家開啟更多的機會,去檢驗氫鍵的量子性質對於水的結晶和蒸發等過程有什麼影響。

關於水,我們還有許多不知道的事。也因為如此,網路上常常能看到「小分子團水」,「能量水」等等的健康廣告,讓大家看得不知是真是假。隨著目前研究持續進行,或許很快就要有「量子水」上市了。

參考資料:

  1. https://pansci.asia/archives/194118
  2. Yang, J., Dettori, R., Nunes, J.P.F. et al. Direct observation of ultrafast hydrogen bond strengthening in liquid water. Nature 596, 531–535 (2021).
  3. https://www.sciencedaily.com/releases/2021/08/210825113614.htm
  4. https://nautil.us/issue/25/water/five-things-we-still-dont-know-about-water
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linjunJR_96
31 篇文章 ・ 484 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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你的視網膜,如何調整腦中影像的明暗對比?——《眼見為憑》
時報出版_96
・2021/06/10 ・2248字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 作者|理查.馬斯蘭(Richard Masland)
  • 譯者|鄧子衿

一個男人彎腰抱著吉他
修剪草木的人,那天是綠色的。
世人說:你有一把藍色吉他
你彈奏得不像樣。
他回答:曲子就是那樣
在藍色的吉他上彈才變樣。——華萊士.史蒂文斯

強化真實世界影像

視網膜細胞一開始處理的另一件重要的事,是強化輸出影像的邊緣。請注意開啟細胞和關閉細胞並沒有改變視覺影像,只是告訴腦接收到的是明亮或是黑暗。邊緣強化是另一回事,因為從這裡開始,原始的影像就沒有忠實地傳遞到腦部了。就腦部那邊來看,影像已經受到強化了,也就是邊緣受到處理,具備了最多的資訊。

邊緣的重要性看起來非常明顯,但是其中包含了一個掌握了視覺非常多面向的核心原理。自然世界呈現出來的像素絕對不是隨機的,自然的影像世界中具有結構:線條、角度、曲線、表面。也就是說,有些像素的出現會受到周遭影像內容的影響。真正的隨機影像世界像是只收到雜訊的電視螢幕。人類的視覺系統能夠加以整理,強化發生改變的結構,並且削弱缺乏變化的區域,例如天空的中央,單一顏色區塊的內部。

天空的中央,單一顏色區塊的內部。圖/Pexels

視網膜產生讓影像邊緣強化的機制是「側邊抑制」(lateral inhibition),這是視網膜所進行的基本程序之一,也是電腦影像生成的基本程序。這時我們再一次去看剛才那個簡單的圖案,那個全黑和全白的區域中沒有什麼資訊,產生變化的點(也就是邊緣)才有最多的資訊。側邊抑制會使得靠近邊緣的節細胞的反應增強。也因為邊緣抑制,腦部接收到的黑色邊緣和白色邊緣的訊息最為強烈。這是視網膜選擇影像世界中重要特徵傳遞給腦部的根本例子。

在行動電話和電腦中也有相同的數位邊緣強化程式。你大概知道數位影像通常都可以用「促進對比」或「邊緣強化」修改。修改後影像會變得更為銳利。當然,天下沒有白吃的午餐,影像中的灰色調往往犧牲了,但是有的時候這個犧牲是值得的。

看到的都是修改過的影像

側邊抑制這個機制普遍存在於感覺系統中,視覺、觸覺和聽覺有,嗅覺和味覺可能也有。所有哺乳動物和許多脊椎動物都具備側邊抑制,這個系統可能很有用,在動物演化初期便出現了,是大自然最早的影像處理技巧。側邊抑制(邊緣強化)為什麼這麼好用呢?

要回答這個問題,我們得把側邊抑制當成視網膜上所有視網膜節細胞所送出訊息的特性。下面這張圖指出了落在視網膜表面上的正確影像(由桿細胞和錐細胞所偵測),在經由幾個步驟的修改之後,由視網膜節細胞送往腦部。

落在視網膜表面上的正確影像,在經由幾個步驟的修改之後,由視網膜節細胞送往腦部。圖/《眼見為憑》

上面那條線代表視覺影像,影像的一半是黑色的,另一半是白色的。中間的那條線代表了由一片視網膜節細胞看到的影像。最下面的那條線代表了節細胞送往腦部的訊息強度。請注意在邊緣地區,由每個節細胞傳遞的訊息是經過強化的,在亮的區域那邊增強了,而在暗的那邊節細胞的反應減弱了。從腦來說,這個機制產生的效果是亮和暗之間的差異(定義出邊緣的訊號)增加了。

為了讓說明簡單,我在這裡用只含有開啟細胞的視網膜當例子,其實另一半的關閉節細胞也有發揮作用,方式是和開啟細胞相反,但是效果相同:增加邊緣附近訊號的差異。我在這裡不會囉嗦說明每個步驟,他們其實就像是開啟細胞,只是行為反過來而已。

為了好玩,我們可以思考一個有趣的事情:如果造成刺激區域的黑色是最黑的黑色,白色則是完全的純白色,那麼黑色的邊緣會看起來更黑、白色的邊緣會看起來更白嗎?如果造成刺激的黑色是純黑,白色是純白,那麼就定義上來說,由開啟細胞組成的系統和關閉細胞組成的系統應該會受到限制,因為他們的反應不可能在零之下,也不會超過百分之百。但是在現實世界中,一個影像的所有部位都會當成是在零與百分之百之間,會比較亮或比較暗,但不會是絕對的亮與暗。當視覺系統遇到從亮到暗的轉變區域時,側邊抑制會用同樣的方式強化訊號,讓我們對於對比的感知更為強烈。這個機制造成了著名的視覺錯覺「馬赫帶」(Mach bands):深淺不同的兩條色帶並在一起時,我們會覺得交界處旁邊深色的區域的顏色要比較深、淺色區域的顏色要比較淺。

馬赫帶。圖/Wikipedia

總而言之,視網膜上的視網膜節細胞有四種基本形式:暫時開啟、持續開啟、暫時關閉、持續關閉,每一種都會受到側邊抑制的影響,所以對於邊緣附近區域產生的反應要比中央沒有變化的區域來得強烈。我們在第四章中還會看到,視網膜其實更為複雜,就如同一篇論文的標題中所說的,「比科學家所想得還要聰明」。但是我們可能要一段時間才發現到有多聰明。在此同時,科技進展讓我們能夠更仔細腦部處理來自視網膜資訊的方式。

時報出版_96
148 篇文章 ・ 27 位粉絲
出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。