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高速攝影!記錄每秒4.4兆次的感動

昱夫
・2014/08/12 ・846字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 602 ・九年級

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From Flickr. Credit: wandrerstefan

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。

pump_probe
Pump-probe技術。

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。

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延伸閱讀:

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]

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昱夫
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PanSci實習編輯~目前就讀台大化學所,研究電子與質子傳遞機制。微~蚊氫,在宅宅的實驗室生活中偶爾打點桌球,有時會在走廊上唱歌,最愛929。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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發明高速攝影,電影般的人生:邁布里奇誕辰──科學史上的今天:4/9
張瑞棋_96
・2015/04/09 ・1206字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 495 ・六年級

邁布里奇於 1978 年進行的馬匹高速攝影。圖/wikipedia

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?」

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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。

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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。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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單一相機的高速3D影像!
Scimage
・2012/09/06 ・419字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

三維的立體影像重在很多地方都有應用,像是模型的重建,物體大小或是物體表面量測等。各種的非接觸的方法雖然都已經發展很久,但是這些方法常常要依賴特殊的構造(雷射光點,多台攝影機等)常常不能高速的捕捉立體動態。

這影片介紹一種方式,利用投影機投影出有結構的圖案,再利用高速攝影機拍攝下來。投影出的圖形在不同曲度的表面上會產生變形,而這些變形就可以提供利用三角量測測距方法的基準,然後經由分析影像計算出每一點的距離。這樣的方式只需要一台投影機與一台攝影機,大幅減少了裝置上的難度。如果使用了高速攝影機,理論上就可以得到用超高速的立體影像,這在科學研究上有非常大的幫助,另外,同樣的方法也可以把圖型投影在顯微鏡下的物體上,這樣就同樣可以做出可以量測微小起伏的裝置!(類似的技術可以參考結構照明

轉載自 科學影像 Scimage

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高速攝影!記錄每秒4.4兆次的感動
昱夫
・2014/08/12 ・846字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 602 ・九年級

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From Flickr. Credit: wandrerstefan

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。

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Pump-probe技術。

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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。

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  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]

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