恭請德前總理梅克爾示範「泡泡認屍法」

在火山口的岩漿中、在玻璃工廠的熔爐中，也在居家裝潢的油漆桶中。液體表面的泡泡隨處可見，如果以上都沒見過（編按：到底有多少人會親眼看過火山岩漿啦！）那總該玩過吹泡泡遊戲吧，那你有想過為什麼泡泡會破掉嗎？

泡泡會塌陷過去以為是重力，最新研究發現是表面張力

過去科學家認為，泡泡會塌陷主要因素是「重力」，但最新一期《科學》（Science）期刊上有篇研究指出，我們多年來對這些現象的解釋其實並不正確，其實「表面張力」才是主要原因。

當水面的泡泡破裂，泡泡薄膜的形狀還來不及有任何改變，便已經被兇猛的表面張力拉回水面下，整個過程只需幾毫秒。不過濃稠（黏滯係數高）的泡泡可不一樣，光是破裂可以花費整整 1 秒鐘，過程中還出現奇特的皺褶。

上方動畫中濃稠泡泡是用矽油吹製，其黏滯係數是水的一百萬倍。當泡泡上方被刺破，整顆泡泡像是洩了氣一樣向下塌陷，而破洞的大小卻幾乎維持不變。這項觀察讓過去的物理學家認為，主宰塌陷過程的是向下的地球重力。

把泡泡倒過來，發現塌陷速度沒有比正著放還慢

不過這個結論讓波士頓大學的工程學家詹姆士柏德（James Bird）十分不滿意。為什麼重力只對黏稠的液體才算重要呢？然而用理論打嘴砲誰都會，要在實驗上做出結果來才算數。為此，他設計出了絕妙的驗證方法：把重力倒過來。

矽油的黏稠度夠高，讓實驗團隊能夠把整個容器倒過來，並進行同樣的戳泡泡實驗。如果泡泡塌陷真的是因為被重力向下拉，那麼將重力方向倒過來應該會讓泡泡塌陷的較慢。

可是錄影結果和原本泡泡破裂的過程十分相似：頂端的破洞慢慢打開，泡泡快速向液體表面塌陷。接著，實驗團隊還讓裝置轉了90度，讓重力向泡泡的側邊拉。不論重力指向哪個方向，影像分析的結果都沒有顯著的差異，這表示主宰塌陷過程的並非重力。

原版的重力向下實驗在 20 幾年前就有人做過。「那時候會認為重力是主因其實也情有可原，因為泡泡薄膜被戳破時看起來就像是在下落。」論文的共同作者亞歷山卓奧拉蒂斯（Alexandros Oratis）說道。不過進一步的計算顯示，對一顆直徑 1 公分的泡泡來說，作用在薄膜上的表面張力比重力大了幾十倍，而他們的實驗也證實了這個結果。

泡泡塌陷的皺褶怎麼來的？其實是諸多力量較勁結果

表面張力顧名思義，就是隨時想要讓液體表面繃緊；也就是說，讓液體表面盡量保持在平整的狀態。當泡泡在液體表面形成，表面張力想要將凸起的泡泡薄膜向下拉，這時泡泡內外的氣壓差便負責平衡這股向下的力。如果我們戳破泡泡，造成內外的氣壓相同，泡泡薄膜便向下塌陷。

不過如果表面張力這麼強大，那麼泡泡塌陷的後期為什麼會出現這些皺褶呢？

比起完好的半球狀泡泡，破掉的扁塌泡泡表面積較小。當表面張力快速的將破掉的薄膜往下拉，接近周圍的薄膜受到強烈的壓縮力。如果壓縮力夠大，凌駕了想要把液面拉平的表面張力，便會出現表面的皺褶。小小的泡泡能展現出這麼美麗的物理現象，原來是背後諸多力量相互較勁的綜合結果。

這份研究用「顛覆性」的實驗方法，打破了舊有的認知，登上了《科學》期刊的封面。再度顯示科學家最重要的維生工具不是紙筆或試管，而是源源不絕的好奇心與想像力。

參考資料

• A new wrinkle on liquid sheets: Turning the mechanism of viscous bubble collapse upside down BY ALEXANDROS T. ORATIS, JOHN W. M. BUSH, HOWARD A. STONE, JAMES C. BIRD
• New Theory Says We’ve Been Wrong About How Bubbles Pop

• 責任編輯：YP

這當然不是最新續集的片名。

《猩球崛起：黎明的進擊》時間背景設定在黑猩猩凱薩的主人（James Franco飾）死後十年，這十年足以讓人猿社群發展出自己的文明。雖然在真實世界中，這個續集電影距離上集《猩球崛起》不過三年光景，在電影科技的世界裡，卻已相當漫長，長到足以發展出高科技繪圖技術，在工作室中創造一片森林、長到足以讓電影公司捨棄高薪的好萊塢巨星，開發新的票房寵兒－－飾演凱薩卻不曾露臉的Andy Serkis。若他走在路上，絕對只會被當成路人讓你走過路過就錯過，因為不同於傳統電影角色的攝影方法，動作捕捉技術（motion capture）用攝影機捕捉了Serkis的動作當做框架，再以電腦繪出虛擬的人猿凱薩。

動作捕捉技術讓電影團隊能創造出非人類角色，如《魔戒》的咕嚕、《阿凡達》的納美人和《猩球崛起》的人猿，也能改變角色的外貌，像是《班傑明的奇幻旅程》中雞皮鶴髮的Brad Pitt。演員在身上的重點部位（不是那三點）裝上反射標籤，精心校準的單色攝影機追蹤這些標籤的動作，再由內嵌的處理器輸出標籤的確切座標到電腦系統，動作標籤的資料會變成數個互相連接的點，以呈現真人演員如何扮演虛擬角色，然後動畫師將動作標籤的資料連結畫面中角色的肩膀、膝蓋跟腳等部位，將動作調整的更像人猿的生理結構。一部動作捕捉電影同時也會大量使用較常見的高解析度攝影機來記錄整個場景，以作為導演和其他工作人員的參考。

一直以來這件極複雜的工作只在工作室或戶外的小小區域完成，因為要小心控制任何會影響追蹤動作標籤的光照、陰影和反射。但是今年暑假檔的《猩球崛起：黎明的進擊》將動作捕捉技術拉到野外，超過85%的電影都在工作室外拍攝，像是在溫哥華附近的森林和紐奧良周邊的戶外場景，因為電影中有2000隻人猿住在類似雨林的環境，這在技術上是個巨大的挑戰。來自紐西蘭電影特效公司Weta Digital的資深視覺效果總監Joe Letteri說：「我們想要深入下雨潮溼的森林，若想要精準的捕捉動作，這完全就是最爛的狀況。」

為求完美，劇組用了約50台動作捕捉攝影機跟八台高解析攝影機，為什麼要這麼多？Letteri解釋，不像在上集《猩球崛起》中大部分被單獨關在籠子裡的人猿，這集的人猿沒有束縛的四處奔跑，畫面看起來相當擁擠，同時有多位演員在樹叢間移動，不時會擋住單獨一台攝影的鏡頭，有了五十台攝影機，不管發生什麼事，至少會有一台攝影機可以捕捉到最多的動作標籤。工作人員將一些攝影機設置在地上偽裝成苔蘚，其他的放在五公尺高、可以支撐數台攝影機的鋁塔上，將每台攝影機裝設支架，固定在環境中的平台。動作捕捉總監Dejan Momcilovic說，他們精心佈置攝影機，在後製時也仔細移除所有攝影機排列的跡象，但還是可能有眼尖的觀眾在某片葉子或苔蘚下發現攝影機的鏡頭。

為配合拍攝，攝影機的擺設必須每天重新設定和校正，工作人員拿著有動作標籤的桿子在演員會經過的場景走來走去，確定每個地方的攝影機都可以捕捉到動作，一陣強風或是有人拔山倒樹而來撞上攝影機支架，都會擾亂攝影機位置，而讓工作人員必須重新校正。在這個氣候裡，攝影機需要妥善的保護，即使隔天還會回到同樣場景，每天拍攝結束後，還是要將整組設備打包帶走，因為機器不能待在潮溼的森林中。

每個演員在臉部點上白色顏料，由頭戴式攝影機記錄表情，身上穿戴48個標籤，因為無法控制戶外的光線，Weta的團隊無法使用標準的反射標籤，雖然他們先前為了《猩球崛起》的小段外景研發出紅外線LED標籤，但這組裝備不能滿足長期拍攝的條件，所以Momcilovic等人在LED外包裝半透明的塑膠，塑膠強度足以抵擋鐵鎚敲擊而保護內部的LED燈，再將這組設備用維可牢固定在演員身上，工作人員可以遙控LED的開關，或是配合環境調整明暗。

身著LED裝同時出現在一個場景的演員人數可高達13人，攝影機的處理器即時分析完影像中標籤位置後，直接傳遞到場邊的伺服器，當工作人員將伺服器帶出森林並連上網，伺服器將動作捕捉資料寄到紐西蘭的Weta工作室，動畫團隊即可開始製作虛擬人猿。

前幾週在加拿大森林的拍攝已經遇到最艱鉅的技術挑戰，之後電腦處理最困難的場景是全電腦繪圖的紐奧良周圍工業環境，Letteri表示，最後的步驟非常繁瑣，畫面中所有的物件都是電腦繪圖產生的，包括夜晚的燈火輝煌、摩天大樓半成品上頭的無數人猿，處理這個環境下的毛髮、肌肉、臉部表情，都需要耗費極大功夫，每個場景大概需要550個核心處理器小時，可想而知，動畫團隊用了一卡車的多核心電腦，通常有200到1000個處理器同時運作，尖峰時刻甚至高達5000個。至於花這麼多心血值得嗎？就有待客官去電影院鑑定了。

延伸閱讀

• 深度攝影機與即時3D建模技術
• 鋼鐵人－東尼的夢幻3D電腦工作室

資料來源：Motion Capture Technology Goes Into the Wild for Dawn of the Plant of the Apes [IEEE, July 10, 2014]

由德、日鑑識專家組成的研究團隊，於 2021 年的《國際法醫期刊》（International Journal of Legal Medicine）上，說他們採用網路流傳的偽裸照修圖技巧，設計出比較不嚇人的「泡泡認屍法」（the “bubbling” procedure）。然後順帶奉上一張照片，以時任德國總理的梅克爾（Angela D. Merkel）女士，作為範例。^[1]

認屍

某些命案發生後，家屬必須前往停屍間，或是透過照片指認死者身份。屍體可能事先經過重建或防腐處理，並且在法醫動刀解剖前進行。最好未卸妝，也不取下首飾，完整保留生前的打扮。儘管這個鑑識程序有時的確無法避免，但是其失誤率高達 50%，而且會造成家屬的心理衝擊。若是遇到不知該找誰認領的無名屍，媒體還得四處散佈照片，觸及的人數勢必更多。研究團隊於是以移除創傷影像為目的，開發新的認屍方式。^[1]

知覺填補

假設這裡有個電子圖檔，畫面上主角穿著泳裝之類的清涼衣著。首先，以常見的影像編輯軟體，例如： Photoshop、Paintshop 或 GIMP，開啟檔案。接著，用圓圈框選髮膚暴露處，並刪除衣物等剩餘區塊，就會得到一張狀似被泡泡網覆蓋的照片。此時，觀者會因為知覺填補（perceptual filling-in）機制，無視消失的部份，自動把影像腦補成裸照。根據該論文的說法，上述居心不良的修圖技巧，在網路論壇上相當風行。且不論研究團隊平常都在逛什麼網站，而如此熟悉這種不入流的勾當；他們想說的是，同樣的招數可以輔助認屍。^[1]

泡泡認屍照

現在把編輯的影像主角，從活人改為死者。先用大泡泡選取無創傷的廣大面積，再以小泡泡保存細節，並塗去其他部位。過程中，盡可能留下眼、鼻、耳和髮線等特徵。等能蓋的都蓋掉了，如果剩餘的區域，有屍斑、瘀青、腐化等情形，看了還是怵目驚心，那就降低整體畫面的彩度，或者套用灰階效果。^[1]

泡泡辨識實驗

為了瞭解辨識的準確度，研究團隊在德國洪堡（Homburg）及匈牙利布達佩斯（Budapest），分別招募 38 與 15 名學生。請這些為數不多的受試者，指認經過「泡泡」處理的 10 張照片。裏頭可能出現的名人，包括：德國的球星 Lothar Matthäus、主持人 Inka Bause、超模 Heidi Klum 和政治人物 Frauke Petry；歐盟執委會主席 Ursula von der Leyen、匈牙利總理 Viktor Orbán、瑞典環保倡議人士 Greta Thunberg、教宗方濟各；以及演藝明星李小龍、Tom Cruise 與 Rihanna。另外，學生認識的教師跟絕對沒見過的陌生人，也各有一張，作為對照。全部辨識完後，受試者會看到沒有「泡泡」的版本，確定是否真的不知道某人。^[1]

實驗結果顯示，這些學生認得 72.1% 的人物；而其中 66.8% 的照片，蓋上「泡泡」後，依然能被準確指認。研究團隊頗滿意此成功率，並覺得這個方法簡單、經濟又快速。不過，死者的臉部創傷若是太大，就不適合以「泡泡」遮掩，畢竟觀者腦補的能力有其極限。在那種情況下，他們建議改採臉部重建等其他繪圖技術。^[1]

參考資料

1. Potente S, Ramsthaler F, Kettner M, et al. (2021) ‘Application of the “bubbling” procedure to dead body portraits in forensic identification’. International Journal of Legal Medicine, 135, 1655–1659.

文／麥森（John Matson）
譯／洪艾彊

泡泡堆的變化，裡面盡是科學。

大多數的人都曾駐足欣賞過肥皂泡的美麗。這顆隨著視角幻變五彩色澤、卻又容易破滅的小球，頂多撐個幾分鐘，就會在瞬間消失無蹤。不管是愛吹肥皂泡的小孩，還是享受躺在浴缸裡沉思的大人，都是它的粉絲。

幾百年來的物理學家和數學家也不例外，他們做過不少努力來試圖了解並預測泡泡的基本性質。成團的泡泡在數學上更加吸引人，原因是它們之間不只存在簡單的幾何規則（例如相鄰的泡泡表面夾角只允許若干特別的角度），並且為了使泡泡表面的總面積達到最小，不同的泡泡會不斷移動和改變大小來配合彼此，表現得有如一台合作無間的簡易電腦。

最近提出來描述泡泡堆特性的電腦模型，將有助於科學家善用泡泡的物理性質，來發展更有效的滅火器、腳踏車頭盔和其他相關產品。

這個由美國加州大學柏克萊分校兩位數學家設計的模型，把泡泡堆的變化分解成三個不同階段：首先，泡泡表面的表面張力和空氣流動會促使泡泡堆重新排列，以尋找穩定的巨觀結構；接著重力效應不斷把肥皂液往下拉，使得這些泡泡的液體薄膜（lamellae）厚度越來越小；最後當部份泡泡破裂時，整體結構變得不再穩定，泡泡堆又重新回到第一階段，如此不斷往復。這篇論文發表在5月10日的《科學》。

這三個階段有各自不同的空間和時間尺度。作者之一的數學教授賽西恩（James Sethian）表示：「例如泡泡液體薄膜在微觀上變薄的速度就非常慢，有時可達數百秒；而泡泡破裂的速度則高達每秒數百公尺。」電腦模擬泡泡堆的動態變化時，有一項需要克服的主要技術：如何在忽略那些會拖慢模擬速度的枝節時，還能同時正確捕捉到重要的微觀過程。

賽西恩和合作者賽耶（Robert Saye）提出的解決辦法是，針對不同的階段採取不同的手段。在牽涉到泡泡破裂和液體薄膜厚度變薄的第三階段，他們放慢模擬速度，並且小心微觀細節；反之，在緩慢的大尺度結構變動時，則睜一眼閉一眼地加快速度。愛爾蘭都柏林三一學院的物理學家維埃爾（Denis Weaire）說：「只要把不同階段的銜接過程處理好，各個階段是可以分開來模擬的。」每一個階段的模擬結果可以利用程式，逐次輸入到下個階段，在第三階段的結果，再送回原始階段重新模擬──巨觀的泡泡堆結構變動決定了微觀的泡泡表面液體如何流失，後者再導致泡泡液體薄膜的瞬間破裂，並因此使泡泡堆失去平衡，再度變動起來。維埃爾表示，把這些過程分開模擬，「能得到以前的人想像不到的妙處。」

維埃爾提醒我們，相較於靜態的泡泡堆，例如啤酒上頭好像「久久不散」的啤酒泡，過去已經累積不少文獻。他和合作者在10多年前就出版過《泡泡堆的物理》（The Physics of Foams）一書，並敦促同事致力於探討泡泡堆的動態變化，不過維埃爾表示，這一方面的研究還是大致停滯不前。雖然目前提出來的新模型還有些受限，例如只適用於乾泡泡堆，也就是液體含量不高的情形，但他樂觀相信這是「朝正確方向邁進的第一步」。

SA原文：Physics Gets Frothy as Mathematicians Dissect Mister Bubbl [May 9,2013]

研究文獻：Saye, R. I., & Sethian, J. A. (2013). Multiscale Modeling of Membrane Rearrangement, Drainage, and Rupture in Evolving Foams. Science, 340(6133), 720-724.

刊載於《科學人》2013年第138期08月號