單一相機的高速3D影像！

1874 年 10 月 17 日，劇評家拉金斯 (Major Larkyns) 走到平常玩牌的俱樂部門口時，一個人影擋在他面前。他警覺地問道：「你是誰？」人影冷冷地回答：「我叫邁布里奇，這是我老婆給你的回覆。」說完舉起槍朝他的胸膛開槍，拉金斯倒地不起。邁布里奇怔怔望著地上這個讓他戴綠帽的男人，直到警察前來逮捕。

俯首認罪的邁布里奇原本已準備接受法律制裁，沒想到企業大亨史丹佛（Leland Stanford, 沒錯，就是他創立了史丹佛大學）竟找了三位舊金山最厲害的律師來幫他辯護。律師與他討論辯護策略時，順便帶來一則口信：「史丹佛先生還等著你完成兩年前委託你的任務哪！」

邁布里奇沒有忘記。兩年前他已是小有名氣的攝影家，因此史丹佛找他去時，他原本以為是要幫他個人或家族成員拍肖像照，不料史丹佛開口竟然問了一個讓他丈二金剛摸不著頭腦的問題：「馬在奔跑時，四隻腳會同時離地嗎？」

他怎麼會知道？也不會有人知道吧；馬跑那麼快，根本不可能看得清楚。史丹佛先生說他相信答案是肯定的，希望邁布里奇幫他證實這一點。他可以提供賽馬和所需的資金，邁布里奇只要發揮他的攝影技術就行了。

史丹佛先生也未免想得太簡單了！一來底片曝光需要時間，再則每次拍完就得抽換底片，哪可能清楚拍到馬騰空的瞬間？但在史丹佛的堅持下，加上他自己也頗有興趣挑戰，他還是答應了。如今他身陷囹圄，又罪證確鑿，史丹佛先生真的相信他還有機會完成這項任務？

四個月後，陪審團接受邁布里奇是因為之前腦部意外受傷而性情丕變，害怕失去妻子才憤殺姦夫，算是正當防衛故予以無罪釋放。邁布里奇也開始著手改進相機的快門速度與底片上的感光劑，終於在 1878 年 6 月 15 日這一天，他用了 24 台相機，間隔 69 公分沿著跑道排成一列；跑道另一側則豎起標了距離的布幕作為背景；每台相機的快門綁上細線拉到跑道上由馬腳觸動，而成功拍下馬奔跑的分解動作，證實馬的四隻腿往內縮時同時離開地面──而非一般人所以為的在四肢伸展時離地。

邁布里奇完成了史上首次的高速攝影，之後還幫賓州大學拍了超過十萬張的相片，分析人類與各種動物的動作。高速攝影與顯微鏡分別在時間與空間上讓人眼得以突破生理上的限制，使我們大開眼界，更能看清萬物的本質，可說是科學史上相互輝映的重要發明。

邁布里奇也是定格動畫的鼻祖。他發明了環狀的「跑馬燈」(Zoopraxiscope)，放上馬奔跑的定格相片，旋轉之後就會宛如看到馬在奔跑的影片（這應該就是跑馬燈這名稱的由來），而成為電影放映機的原型。

從英國移民來美國，在一次騾車意外中頭部受傷返回英國休養而學會攝影，因此回到美國後從書商轉為攝影家，又從殺人犯變成重要的發明家。邁布里奇戲劇化的人生完全就像一部電影呢！

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

十九世紀初，倫敦一家樂器行走出來一位十幾歲的學徒，他握著剛領到的工資，興奮地又來到附近的舊書攤買書。這一次他的目光被一本描述伏打 (Alessandro Volta) 所作電學實驗的書給吸引住，但他身上的錢不夠，而且這是本法文書，他還得再買本辭典才能看得懂。他還是下定決心將手中的錢給老闆當訂金，並在之後攢夠錢時將書與辭典買回家。

研讀之後，他找了哥哥一起打造書中所述的伏打電池，但只剩零錢不夠買所需的銅片。他靈光一閃，根本不用買，就拿手上的銅板便士 (penny) 取代就行啦！這就是惠斯登，從小就努力追求新知，並展露發明的天份。

他的發明橫跨不同領域。除了在自己的本行上發明六角形手風琴，他也是全世界最先發明 3D 圖片顯示裝置的人──他讓左右兩眼同時各自觀看 45 度角的反射鏡，而產生立體效果。他發現不同的金屬放電時產生的火花，透過稜鏡會呈現各自特有的光譜，為光譜學開啟了先河。他還發明一種矩陣加密法 (Playfair cipher)，而廣被軍隊採用，直到第二次世界大戰初期仍被部分英軍使用。

不過他奉獻最多的還是在電磁學方面。他將電線從中切開，接上萊頓瓶，再用快速旋轉的鏡子測量跳過電線缺口的火花延遲的時間，而估算出電流的速度。雖然他得出的數值比真正的電流速度還快了 50%，但他所發明的旋轉鏡卻在後來物理學家測量光速時派上用場。他和威廉・庫克 (William F. Cooke) 於 1837 年共同發明電報，不但成為最早的發明者，並且在兩年後沿著鐵路建造了世界上第一條商用電報線路。他改良別人的設計而發明的「惠斯登電橋」(Wheatstone bridge) 至今仍被廣泛用來測量電阻。他也是最先在發電機中用電磁鐵取代永久磁鐵，而成為能產生大電流的工業用發電機的發明人之一。

惠斯登靠著自學，從一個樂器行的學徒變成一位多產的發明家，還成為英國皇家學會的一員，可說是事在人為的最佳例證。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

美國大聯盟在今年啟用了高速攝影重播來挑戰一般判決，網球比賽的鷹眼系統能夠分析球體路徑，甚至模擬、預測軌跡。高速攝影技術除了在運動競技中屢見不鮮，也時常被應用於科學研究，像是科學的「無人之境」— 超冷水和液晶「肥皂」泡的振盪現象等等（當然，許多在科學上使用的技術，其時間尺度可不是運動競技用的攝影機可以相比的）。看到這裡不禁好奇，那世界上最快的高速攝影機在哪裡呢？

答案揭曉：日本慶應義塾大學（Keio University）和東京大學（University of Tokyo）的科學家們最近在《Nature Photonics》上發表了ㄧ款世界最快的攝影機[1]，其拍攝頻率最快可以達到每秒4.4兆個影像。在此之前，最快的攝像方法是利用雷射光進行的激發-偵測技術（pump-probe），其原理是利用光線將系統打至激發態，在激發態上再利用一道偵測光測量其吸收度，得到物質在激發態上的性質（如下圖所示），此方法可以得到極短時間尺度的解析度，不過缺點在於每次實驗都只能記錄一個時刻的資訊，要建構一連串的時變影像往往需要多次的重複測量。

日本科學家研發的這套新攝像技術STAMP（Sequentially Timed All-optical Mapping Photography），改進了過去的不足，它不只可以在單次測量內獲得完整的影像，其時間解析度也將近是第二名的1000倍，同時，在縮短拍攝時距的情形下，仍可維持一定的影像解析度（450 × 450 pixel）。

STAMP的出現，可以將許多研究帶入新的層次，像是觀測化學反應機制、晶體的內部振動（例如聲子）、電漿甚至是熱傳導，都可以應用其技術。目前，該研究團隊正著手於將裝置的體積縮小，未來在有效減少設備所需的空間後，預期該技術將可獲得更廣泛的應用性。

延伸閱讀：

• 單一相機的高速3D影像！
• 深度攝影機與即時3D建模技術

參考資料：

1. Sequentially timed all-optical mapping photography (STAMP), Nature Photonics (2014) DOI: 10.1038/nphoton.2014.163

資料來源：Japanese universities develop new world’s fastest camera [PHYS.ORG, August 11, 2014]