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多少像素才「夠看」?

鄭國威 Portnoy_96
・2011/10/12 ・1574字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 498 ・六年級

說來有趣,當我們都市人的眼睛愈來愈容易近視而使得肉眼看不清楚真實的世界時,我們所做的應對卻是不斷提高造成近視的元兇的解析度,像是電視、電腦、手機、平板電腦等再現世界的工具…而正當大多數人還不清楚HD到底是怎樣的一個畫質時,QFHD或所謂的「4K」超高畫質就又開始進入市場,引領我們進入下一個設定好的解析度戰場。

此外,現在就連原本模糊的影像,也都有辦法將之清晰化。我們在某些刑事偵察影集才看得到的「影像去模糊技術」即將成為Photoshop內建功能,效果令人驚豔。

除此之外,也有另一套軟體「Topaz InFocus」聲稱可以做到更好,請見下圖演示:

然而愈來愈高的解析度其實也壓縮了我們的想像空間,這種無止境的競逐看似進步,卻讓我感到疲乏。Torralba A (2009)就問了一個簡單的問題:多少像素才能構成一幅影像?(How many pixels make an image?)

Torralba從影像資料庫中選出若干,然後調整其解析度,製作出不同解析度的版本,從4px*4px超低解析度到128px*128px。在第1部份的實驗中,他要求觀看者判別圖片是什麼,例如臥室、海灘、森林之類的。解析度最低,如4*4的時候,通常得用猜的,但是答對的機率頗高;16*16的時候,75%的觀看者都能猜出戶外景象的圖片,順帶一提,16*16也就是瀏覽器網址列上favicon的解析度,例如PanSci網站的favicon就是一個歪斜的藍框裡頭有著深藍色的PS字樣。

在判別室內景象的時候,要猜對通常需要更高的解析度,不過16*16有時候還是足夠,例如下圖:

你大概可以看出這是一個房間,有張藍色被單的大床,旁邊還有個門。當然,這不是原始尺寸,而是先將原本清晰的圖片下調至16*16,然後再透過插值(interpolation)的方式,放大成上圖的尺寸,避免馬賽克般有稜有角。下圖可能更難一些:

看出來了嗎?這是戶外街景,有輛車停在某大樓前面。之前說過,室內的景象需要更高的解析度才好判斷,主要是因為戶外,尤其是自然景象通常有明顯的色彩可供判斷,例如看見綠色就想到草原就是森林,藍色加上米色大概就是沙灘。戶外景色的物體面(surfaces)通常也不多。

如果16*16或32*32就足夠我們判斷圖片場景,那能否一併看出圖片中的物件呢?既然能夠看出場景,照理來說應該也能辨識出其中若干物件,即使這些物件必然比16*16更小。研究者在第2部份的實驗中便要求觀看者除了要判別場景,還要把場景中的物件一一指認出來。我們看看下面的例子:

在上圖中,觀看者從16*16(256px)的圖中辨別出6個物件:天花板、牆壁、地板、床、床頭板、窗戶。其中我覺得能看出床頭板真是厲害,不過這當然是因為有脈絡可循的關係,要是像下圖這樣的話:

這是啥?如果你直接看得出來,算你厲害;如果看不出來,脈絡可以替你解答:

是洗手台,研究中其中一位觀察者也成功指認出,儘管其大小頂多只有8*4 px。如果你早先知道這場景是在浴室裡頭,那麼要猜出來不難,但是如果不知道,那就很難了。研究者驚訝地發現,在32*32的情況下,觀看者平均能夠判斷出場景中80%的物件,也就是每5個物件中就能猜出4個,即使分開來看時根本無法辨識。

研究結論認為,如此低解析度的圖片能夠傳達的資訊竟能如此有效,可用來解釋人腦理解視覺場景的速度跟效率為何如此高。未來應該可以複製實驗,把更細緻的人口變項跟社會文化變項加入,或許會出現有趣的結果。

我認為,從有碼到無碼,從第四台黑白沙沙畫面到藍光,儘管我們有了愈來愈高的解析度,但真正讓我們從觀看獲得樂趣的關鍵還是人腦的想像力跟猜測能力啊。獅王3D眼鏡這種東西只是騙錢的!(自暴自棄)

資料來源:How many pixels make an object?Like, 30

引用論文:
Torralba A (2009). How many pixels make an image? Visual neuroscience, 26 (1), 123-31 PMID: 19216820

文章難易度
鄭國威 Portnoy_96
241 篇文章 ・ 382 位粉絲
是那種小時候很喜歡看科學讀物,以為自己會成為科學家,但是長大之後因為數理太爛,所以早早放棄科學夢的無數人其中之一。怎知長大後竟然因為諸般因由而重拾科學,與夥伴共同創立泛科學。現為泛科知識公司的知識長。


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》