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鋼鐵人-東尼的夢幻3D電腦工作室

活躍星系核_96
・2014/04/24 ・2977字 ・閱讀時間約 6 分鐘

作者:Dark Duck(醫事檢驗師)

《鋼鐵人3》可是3D電影呢!回想起第一次看3D版《神鬼奇航》第四集的經驗太令我沮喪,透過3D眼鏡望出去還是有點模糊,居然只有字幕最清楚。不是3D電影不好,實在是現今的3D電影技術還不夠進步,不能讓人更舒適地享受3D立體電影的樂趣。好在《鋼鐵人3》有2D版本可看,不過我的程度不足以解讀其中的科幻設定,還望高手指點解惑啊。

這次換換應用科學的口味吧!東尼常在自宅地下室裡打造新的鋼鐵衣(Iron suit),竟也建造了42台馬克套組。他所使用的3D立體電腦系統太令人羨慕了,徒手操控漂浮在空中的機械藍圖與圖像資料,《Star wars》裡C3PO展示莉亞公主的求救立體影像已經不夠看啦。這麼夢幻的3D電腦工作室,將來有沒有可能成真呢?就現在已知的科技發展來想像一下吧!

為了符合東尼的3D電腦工作室運作方式,科技可分成兩部分來探討,一個是造成我內心陰影的3D影像投射技術,另一個是遊戲機使用的體感控制裝置。

IronMan

3D立體影像

在討論3D立體影像之前,還是得先了解雙眼視覺的生理學。雙眼視覺是指在雙眼視野範圍相互重疊之下,所產生的視覺。光線通過眼睛的瞳孔,經由水晶體折射,在視網膜上聚焦成像。光在視網膜轉化為脈衝訊號,經由視神經傳導到大腦皮質的視覺中樞。由於雙眼因為瞳孔距離而產生視差,在視網膜聚焦的圖像有差異但又十分相似,大腦會將雙眼的圖像差異進行整合,融合成單一的整體感覺,因此產生具有「深度」的距離感,也就是「立體視覺」。一個成功的3D立體影像,要能讓大腦解讀光線進入眼睛的視覺訊號,產生立體視覺才行。最直接的做法就是操縱進入眼睛的光線。

「擴增實境」是個不錯的選擇,這個技術發展得很早,早期發明的外觀就像是一個頭盔、頭戴式的螢幕,影像投射到眼睛產生影像,平面影像或立體影像皆可。有些3D電視的眼鏡也是這種裝置,現在最新穎的產品應該就是Google眼鏡了吧,但是這類裝置目前尚未普及。

現在看到立體影片的機會愈來愈多了,不管是3D電影還是3D電視,都需要戴一個很笨重的3D眼鏡。早期3D電影原本只在一些遊樂園中放映,還記得小時候拿到的還是紙做的3D眼鏡呢!需要戴眼鏡的3D電影原理,就是讓左右眼看到不同的影像,想辦法產生「視差」,讓大腦融合左右眼有差異的圖像,產生「立體視覺」。小時候的紙眼鏡是紅藍眼鏡,讓左右眼分別看到紅色或藍色的影像,再讓大腦將影像疊合起來,因為顏色差異產生立體視覺,我們看到的立體影像比較像是浮在螢幕前方的平面圖層。現在電影院的3D眼鏡是偏振光眼鏡,讓左右眼只能分別看到垂直偏振光或水平偏振光,利用光的偏振性而產生立體視覺,是現在應用最廣的立體顯示技術。

不過戴眼鏡太麻煩了,裸視3D影像變成另一種選擇。最普遍的裸視3D原理,是將不同角度的影像投射在空間中的不同位置,再讓左右眼接收不同角度的影像。更簡單地說,可以把裸視是3D想像成「把3D眼鏡直接戴在電視上」的情形。裸視3D的限制是必須待在特定位置觀看,才看得到3D影像,所以適合用在手機、掌上型遊樂器等近距離觀看的裝置。

另一方面,還有真實3D投影技術,可以不用戴眼鏡直接觀看。它也發展得很早,像是在博物館可見到的水晶球裝置,中央的圓型螢幕高速旋轉,利用視覺暫留的生理現象讓眼睛看到立體影像;後來還有正金字塔型或倒金字塔型的投射玻璃裝置,讓影像在金字塔型玻璃中成像;水蒸氣投影、雷射解離空氣投影等等也是利用不同的投射介質,形成真實的3D立體影像。熟悉AGC族群的朋友,應該最知道的真實3D投影就是初音未來的演唱會啦!這種投影只能算是半個3D,2.5D的投影技術,初音的影像還是需要投射到一面玻璃螢幕上,台下觀眾看到的影像才有立體感。

 

目前的商用3D投影技術(2013年在美國德州舉辦的Trade Show Holograms全像展),已經能夠達到的8呎(2.4公尺)高、20呎(6.1公尺)長的大小嘍!

(請參考Giant 3D Hologram projector wows crowd at Real Estate Conference in Dallas

時代在進步,2012年日本fVisiOn研發的Tabletop 3D Display技術有了突破性的創新,不用投射螢幕的真實3D立體影像。Tabletop 3D Display是一套桌上型立體裸視系統,光源在桌面下方,數道光線投射在特製的漏斗中,光線被特製的玻璃集中成像,立體影像就浮現在桌面上。這個影像其實還是平面影像,只是由上往下俯視造成3D的錯覺。由於投射出來的影像很小(高5公分),且可視角只有120度而已,fVisiOn也會持續改良至影像更大、更細緻、視角360度的3D影像。

另一個真實3D技術是利用很強的脈衝雷射把空氣擊穿打成電漿,電漿就可以發光或散射光,只要動態控制雷射的聚焦位置,就可以把任意的空間都當作是雷射的螢幕(見參考資料)。這個技術就符合史塔克不用投射螢幕的需求啦!缺點是需要用更強大的脈衝雷射(不知道會不會曬傷或損害視力),目前能呈現的顏色也很少。

(請參考〈脈衝雷射的電漿舞台〉

在史塔克的夢幻3D電腦工作室裡,3D立體投影技術還有很大的發展空間,想像以現在最新的Tabletop 3D Display技術加大版本來設置,還需要克服使用者站在立體影像中間,能不能看得到3D影像的問題,還是只能俯視才看得到?這都是業界研發部門需要考慮的問題。

體感控制

科技的進步常在意想不到的地方展開,電視遊樂器的發展,讓在空氣中揮揮手就能控制電腦螢幕的技術已經不是夢想嘍!
說到體感控制一定要提電視遊樂器始祖任天堂,任天堂 Wii遊樂器大開體感控制的先河,手持的體感搖桿和Wii Fit平衡板橫掃遊戲界,後來的平板電腦和智慧型手機也都內建了體感控制裝置,雖然現在看來已經是落後的技術,但它將體感控制技術帶進人類的生活中,實在功不可沒。

同樣是電視遊樂器的微軟Xbox,後來推出了「身體就是遊戲控制器」的Kinect,所以在空氣揮揮手就能遙控的技術已經在真實世界中實現了。Kinect所使用的不是Time of Flight技術,而是Light coding技術(見參考資料)。Kinect的紅外線攝影機發出人眼看不見的Class 1雷射光,透過鏡頭前的光柵將雷射光均勻分佈投射在測量空間中,再透過紅外線攝影機記錄下空間中的每個散斑,擷取原始資料後,再透過晶片計算成具有3D深度的圖像。Kinect將擷取到的3D影像透過骨架追蹤系統,轉換成動作指令。全身體感的優勢也使這種體感控制方式將來能夠應用到電腦、家電、手機上。

Kinect需要大量運算,所以會讓使用者有延遲的感受,而且動作判斷精準度較差,但我想東尼的AI電腦賈維斯一定能克服這些問題,史塔克3D電腦工作室的體感操作系統絕對是可行的。

參考資料

  1. 維基百科
  2. 《科學人雜誌》[科學easy learn]擴增實境︰虛擬與實境的無限延伸
  3. 《科學人雜誌》[科學easy learn]戴上眼鏡 看進立體世界
  4. 《科學人雜誌》[科學easy learn]丟掉眼鏡 當機不「立」斷
  5. 《科學人雜誌》[科學easy learn]電視節目變立體 裸視3D即將走入家庭
  6. [創新趨勢] 未來嶄新「視」界:3D立體投影技術
  7. [知識分享]立體觀影時代來臨,破解3D電視原理
  8. [癮科技]3d投影技術更進化,初音未來離你更近了!3D-投影技術 Tabletop 3D Display
  9. 《無線電技術月刊》從體感遊戲看動作感應技術
  10. [ T客邦]身體就是控制器,微軟Kinect是怎麼做到的? 
  11. Giant 3D Hologram projector wows crowd at Real Estate Conference in Dallas
  12. 真正的3D顯示技術: 脈衝雷射的電漿舞台!

原發表於Dark Duck’s Lab,作者投稿。

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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觀賞蝦身上長蟲?俗稱蝦蛭、也不盡然是寄生蟲的蛭蚓

YTLai_96
・2020/12/29 ・3250字 ・閱讀時間約 6 分鐘

近年來觀賞蝦養殖興起,連帶的也讓許多人注意到心愛的蝦子身上有時會出現細長的條狀物。對飼主而言,這些像水蛭一樣用前後吸盤交錯黏附移動的不速之客,通常都稱之為「蝦蛭」,而且看那副噁心的長條模樣,勢必就是寄生在蝦子身上造成病狀的禍首,非除之而後快不可。

不過,這些坊間流傳的資訊裡頭其實有些誤會,且讓我們一一道來。

黏在淡水蝦頭上的兩隻蛭蚓。圖/作者提供

那些很像蛭類的小東西

首先,雖然這些細長條狀的蟲像水蛭一樣,用前後吸盤交錯黏附移動,但是牠們其實並不真的屬於蛭類,而是蛭類的親戚,叫做蛭蚓(Branchiobdellidan)。

蛭蚓,顧名思義,就是長相上介於蚯蚓和蛭類的動物。一般而言,蛭蚓的體型微小,身體圓柱狀,僅有數公釐至一公分出頭。雖然蛭蚓和蛭類一樣都是以頭尾交替吸附的方式移動,但蛭類擁有口吸盤和尾吸盤,蛭蚓卻只有尾吸盤而沒有口吸盤。此外,比起擁有 27 節軀幹體節的蛭類,蛭蚓的軀幹體節數僅有 11 節,加上癒合為頭部的 4 節體節也才 15 節。整體而言,似乎像是簡單版的蛭類,因此 21 世紀之前,蛭蚓被視為是較原始的蛭類。

然而,藉著分子親緣技術與工具的進步,本世紀初的研究發現蛭蚓是與蛭類有共祖的姊妹群,而不是原始的蛭類。因此,蛭蚓身上這些看似簡單版的蛭類特徵,應該只是共祖的後代在適應環境的過程中演化的結果。

蛭蚓在解剖顯微鏡下的模樣,左邊為游離搖擺的頭部,右邊則是吸附於表面的尾吸盤。圖/作者提供

蛭蚓或許礙眼,但並不一定是寄生蟲

和蛭類相比,蛭蚓的生活史實在是更不獨立了點。蛭類當中僅有一部份種類不時得附著在其他動物身上吸血營生,但目前已知的所有蛭蚓終其一生都必須附著在其他動物身上,而且絕大多數是以淡水蝦如螯蝦、米蝦為附著的優先選擇,但也有附著於淡水等足目或其他淡水蝦蟹的記錄,因此蛭蚓對於附著的淡水甲殼類種類並沒有強烈的專一性。

話說回來,蛭蚓雖然整個生活史都要依附在淡水蝦身上,但並不表示牠一定就是對淡水蝦有傷害的寄生蟲。如果蛭蚓的依附讓淡水蝦的生活變得更辛苦,那麼蛭蚓就是對淡水蝦宿主有負面影響的寄生蟲;但如果蛭蚓的依附生活史對淡水蝦不痛不癢,那麼蛭蚓和淡水蝦宿主就是片利共生的關係;而若是蛭蚓的存在讓淡水蝦生活得更好,那麼兩者就是互利共生的關係了。

因此,雖然坊間對蛭蚓在觀賞蝦身上的危害言之鑿鑿,但過去的研究顯示,蛭蚓的食性其實多半是其他更小的無脊椎動物或浮游生物,也會啃食宿主外骨骼上附著的單細胞藻類和其他有機碎屑,況且牠們由兩片硬化的顎構成的口器,實在也不適合啃食宿主的組織或吸食宿主的體液。先前的多數研究也發現,北美洲的蛭蚓待在螯蝦宿主身上,大部分時候既不會提高螯蝦的死亡率,也沒有其他明顯的負面影響,因此蛭蚓和淡水蝦的關係,應該是以對蛭蚓有利、對淡水蝦宿主無害的片利共生為主。

北美螯蝦螯上的蛭蚓。圖/Wikipedia

更進一步而言,蛭蚓依附在淡水蝦身上啃蝕宿主外骨骼黏附的藻類和碎屑,其實可能對宿主是有利的。在一些先前的研究中發現,當蛭蚓在螯蝦宿主身上達到相當密度,則可能因為清理了淡水蝦宿主身上和鰓上沾附的碎屑和藻類,讓宿主變得更身輕如燕而健康,因此蛭蚓和淡水蝦宿主就像是清潔蝦與海鰻一樣,形成了互利共生的雙贏局面。

清潔蝦與海鰻的互利共生關係。圖/Wikipedia

然而,要說蛭蚓在淡水蝦身上一點壞處都不會有,倒也不盡然。近年來的研究發現,當蛭蚓在淡水蝦身上的密度過高,可能就會在吃光了宿主外骨骼上附著的碎屑和藻類之後轉而啃食宿主的鰓組織,因此對宿主造成了負面影響。過高的蛭蚓密度也會限制淡水蝦宿主的移動能力,讓宿主無法正常進食,並且更容易成為捕食者的目標。蛭蚓的胃內含物分析也發現,蛭蚓幼體的消化道中的確有宿主的鰓組織,但蛭蚓成體卻沒有,而且只有棲息在宿主鰓部的蛭蚓,消化道中才會出現宿主的組織。因此,在蛭蚓的生活史中,或許只有早期生活史的幼體階段,而且只有在蛭蚓正好棲息於淡水蝦鰓部的時候,才可能轉以寄生的形式造成宿主負面影響。

台灣的蛭蚓目前僅一種,而且所知不多

話說回來,上述的研究都是以北美的蛭蚓和螯蝦宿主為研究的對象。在台灣,目前已知的蛭蚓只有平頭霍氏蛭蚓(Holtodrilus truncatus一種,這種蛭蚓廣泛分佈在台灣、日本、韓國與中國,而且多半是在俗稱黑殼蝦的擬多齒米蝦(Caridina pseudodenticulata)、台灣米蝦(Caridina formosae)、白斑米蝦(Caridina leucosticta)、多齒米蝦(Caridina multidentata)、甚至玫瑰蝦(Neocaridina davidi)等的小型淡水蝦身上發現。根據研究,目前僅知分佈於日本本州中部紀伊半島的平頭霍氏蛭蚓的確存在著某些宿主偏好,當兩種不同的淡水蝦同時存在時,會選擇特定一種做為宿主,而且對宿主的選擇偏好也符合在野外觀察到的感染盛行率。至於牠們對宿主的影響是否相似於北美的蛭蚓和螯蝦宿主,也還不得而知,或許因為宿主的相對體型更小,使得台灣的蛭蚓和淡水蝦之間更可能趨近於寄生關係也說不定。

尷尬的是,由於近年來台灣在觀賞淡水蝦市場上輸出了不少淡水蝦個體,連帶的也讓平頭霍氏蛭蚓輸出到世界各國,成了異國水族缸裡的新成員。2020 年的波蘭研究發現,120 隻從台北運到華沙的水族賞玩用的台灣米蝦當中,總共找出了 122 隻附在蝦子身上的平頭霍氏蛭蚓,整體來說這些米蝦感染蛭蚓的比例達 23.3%,感染蛭蚓的米蝦身上平均有 4.4 隻蛭蚓。區分米蝦的性別來看,雄蝦感染蛭蚓的比例似乎稍高,但雌蝦感染的蛭蚓平均數量比較多。平頭霍氏蛭蚓感染的位置也有所偏好,有 44.3% 的感染落在胸足區域,22.1% 的感染在額角附近,其次是 21.3% 的感染在腹足與腹部區域,最後才是 12.3% 的鰓部感染。此外,雖然雌雄米蝦同樣在胸足區域有最多的感染,但雄蝦被蛭蚓感染的位置更常發生在腹足與腹部區域(43.3%),卻不曾出現在額角;反觀雌蝦被蛭蚓感染額角區域有29.3%,在腹足與腹部區域則僅有14.1%。

如何去除平頭霍氏蛭蚓

讓淡水蝦玩家皺眉的消息是,在 2020 年這一篇研究中,雌性台灣米蝦的鰓部、腹足和腹部區域的確可見些許損傷,雖然也可能有其他的原因,但這有可能就是因為平頭霍氏蛭蚓活動造成的。所以,即使蛭蚓可能無害,但對淡水蝦玩家來說,或許是看了討厭、或者是為求保險,總之也許還是希望將蛭蚓除之而後快。那麼,到底該怎麼做才好呢?

其實,去除蛭蚓最簡單的方式,就是將水體鹽度升高到 0.5% 以上。根據 2016 年的日本研究,平頭霍氏蛭蚓在水體鹽度達1%時,三小時內就會死光光,不過這個實驗是把蛭蚓從宿主身上取下來以後才進行的,所以各位淡水蝦玩家們哪天要是想依法炮制,千萬務必先確定手上的淡水蝦能夠忍受鹽度 1% 超過三小時,否則為了去除蛭蚓結果也讓心愛的蝦子魂歸西天,宿主因為附生的無害小蟲而玉石俱焚豈不得不償失,你說是不是哪?

參考文獻:

Brown BL, Creed RP, Dobson WE (2002) Branchiobdellid annelids and their crayfish hosts: are they engaged in a cleaning symbiosis? Oecologia 132: 250–255

Brown BL, Creed RP, Skelton J, Rollins MA, Farrell KJ (2012) The fine line between mutualism and parasitism: complex effects in a cleaning symbiosis demonstrated by multiple field experiments. Oecologia 170: 199–207

Farrell KJ, Creed RP, Brown BL (2014) Preventing overexploitation in a mutualism: partner regulation in the crayfish–branchiobdellid symbiosis. Oecologia 174: 501–510

Maciaszek R, Jabłońska A, Prati S, Swiderek W (2020) First report of freshwater atyid shrimp, Caridina formosae (Decapoda: Caridea) as a host of ectosymbiotic branchiobdellidan, Holtodrilus truncatus (Annelida, Citellata). Knowledge & Management of Aquatic Ecosystems 421: 33–40

Niwa N, Archdale MV, Matsuoka T, Kawamoto A, Nishiyama H (2014) Microhabitat distribution and behaviour of Branchiobdellidan Holtodrilus truncatus found on the freshwater shrimp Neocaridina spp. from the Sugo River, Japan. Central European Journal of Biology 9: 80–185

Tanaka K, Wada K, Hamasaki K (2016) Distribution of Holtodrilus truncatus, a Branchiobdellidan Ectosymbiotic on Atyid Shrimps in the Kii Peninsula, Western Japan, with Reference to Salinity Tolerance and Host Preference. Zoological Science, 33: 154–161

大高明史,陳榮宗(2010)台灣內水域新紀錄一種蛭蚓類及四種貧毛類。台灣生物多樣性研究 12: 97–110

大高明史,格爾德,大和茂之,陳榮宗,西野麻知子(2015)台灣匙指蝦類體表兩種外共生蛭蚓目及切頭類之共棲。台灣生物多樣性研究 17: 253–262

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YTLai_96
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也許永遠無法自稱學者,但總是一直努力學著
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