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看見你真實的色彩-多頻譜影像擷取技術

創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2015/03/18 ・1252字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

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文 / 陸子鈞

過去無論是紙張印刷或者輸出,將RGB色彩檔案轉成CMYK就能勝任大多數的情況。但是隨著列印技術發展,新的精密色彩影像量測技術就顯得很重要,印刷工業技術研究中心的闕家彬組長說:「皮革、布料還好,那也是CMYK 4色列印,但是石材列印的分色就不只四色,而且每家石材列印的色彩也不同,所以就需要一種適用不同情況的色彩測量技術。」

「多頻譜影像擷取技術」有別於常見的影像擷取技術,記錄的不是RGB三原色,而是不同波長可見光的反射率。闕家彬補充說:「多頻譜影像技術擷取的是畫面的頻譜反射值,這是唯一值,不會因為不同廠牌的擷取技術或者光源而改變,因此可以得到很準確的色彩。」更便利的是,不再像以往需要在特定波長的光源下掃描影像,能夠更廣泛地應用。

印刷工業技術研究中心闕家彬組長
印刷工業技術研究中心闕家彬組長

「多頻譜影像擷取技術」的原理很簡單,將390nm到700nm的可見光,利用不同波段的濾鏡-像是390nm到420nm;410nm到500nm……-取得反射值,再綜合收集到的資料,就能得到全波段的影像反射資料;要是能將波段切分得更多區段,就能得到越精確的反射光譜資訊。「最難的就是找濾鏡」,闕家彬說:「要廠商製作特別波段的濾鏡的成本太高,所以我們只好找尋市面上不同波段的濾鏡。」此外,還得考慮到人眼對不同色彩的敏銳,像是人眼對綠色波段比較靈敏,所以研究團隊將綠色波段使用較多片濾鏡,減少人眼能察覺出的色差。

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26_01代表照

「多頻譜影像擷取技術」,可以看到鏡頭前的濾鏡轉盤,每片濾鏡有特別的可見光波段。將所有濾鏡的資料整合後,就能得到全波段的反射值。
「多頻譜影像擷取技術」,可以看到鏡頭前的濾鏡轉盤,每片濾鏡有特別的可見光波段。將所有濾鏡的資料整合後,就能得到全波段的反射值。

這種精確的影像複製技術目前常用於藝術品數位典藏或者故宮等級的複製畫。研究團隊也設計出了可攜式的版本,能夠用在難以搬動的大型藝術品或者古蹟上。此外,多頻譜色彩資料還可以模擬在不同光源下人眼看到的色彩,很適合應用在展覽空間設計。

目前,研究團隊已經成功在非紙張材質上印出準確的色彩,特別是在石材上;在磁磚上噴上像天然石材的紋路,可以減少天然石材的用量,也能大幅減少建材的成本。未來這套系統也能延伸應用到防偽機制,闕家彬提到:「現在一些防偽技術是靠紫外光來鑒定,但是紫外光源容易取得。如果靠多頻譜影像擷取技術,任何波段都可以作防偽效果,減少被偽造的可能。」

26_03

即使在紙上列印石板影像,看起來也像是石板的自然紋理。
即使在紙上列印石板影像,看起來也像是石板的自然紋理。

團隊照

 

更多資訊請參考解密科技寶藏

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創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
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由 19 個國家級產業科技研發機構,聯手發表「創新科技專案」超過 80 項研發成果。手法結合狂想與探索,包括高度感官互動的主題式「奇想樂園」區,以及分享科技新知與願景的「解密寶藏」區。驚奇、專業與創新,激發您對未來的想像與憧憬!

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用黑白相機拍出色彩繽紛的宇宙
全國大學天文社聯盟
・2022/04/30 ・2550字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 文/邵思齊,現就讀臺大地質科學系,著迷於大自然的鬼斧神工。

現代的人們生活在充滿明亮人造光源的城鎮中,難以想像純粹的夜空是什麼樣子。對宇宙中天體的印象,多半來自各地天文台與太空望遠鏡所捕捉的絢麗星雲、星團、星系。但這些影像中的顏色是真實的嗎?如果我們能夠用肉眼看到這些天體,它們的顏色真能如影像中如此的五彩繽紛嗎?

色彩的起源:為什麼人眼能看到顏色?

電磁波跨越各種尺度的波段,有波長遠小於 1 奈米的伽瑪射線,也有波長數百公里長的無線電波。但人類眼睛中的的感光細胞僅能感測到波長介於 400-700 奈米之間的電磁波,也就是僅有這段電磁波能夠以紅到紫的色彩出現在人類的視野當中,所以我們對外界的認知就受限於這小一段稱為可見光(Visible Light)的視窗。人之所以能夠辨識不同的顏色,靠的是人眼中的視錐細胞。視錐細胞分成 S、M、L 三種,分別代表 short, medium, long,其感測到的不同波長的光,大致可對應到藍色、綠色、紅色。

S、M、L 三種視錐細胞可以感測不同的顏色,後來的相機設計也以此為基礎。圖/Wikipedia

肉眼可以,那相機呢?

在還沒有電子感光元件的時代,紀錄影像的方法是透過讓底片中的銀離子曝光、沖洗後,變成不透光的金屬銀(負片),但這樣只能呈現出黑白影像。於是,歷經長時間的研究與測試,有著三層感光層的彩色底片誕生了。它的原理是在不同感光層之間加上遮色片,讓三層感光片能夠分別接收到各自顏色的光線。最常使用的遮色片是藍、綠、紅三色。進入數位時代,電子感光元件同樣遇到了只有明暗黑白、無法分辨色彩的問題,但這次,因為感光元件無法透光,不能像底片一樣分層感光,工程師們只好另闢蹊徑。

於是專為相機感光元件量身打造的拜爾濾色鏡(Bayer Filter)誕生了,也就是由紅色、綠色、藍色三種方形濾光片相間排列成的馬賽克狀濾鏡,每一格只會讓一種顏色通過,如此一來,底下的感光元件就只會接收到一種顏色的光。接著,再把相鄰的像素數值相互內插計算,就可以得到一張彩色影像。由於人的視錐細胞對綠色特別敏感,因此拜爾濾色鏡的設計中,綠色濾光片的數量是其他顏色的兩倍。

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這種讓各個像素接收不同顏色資訊的做法,雖然方便快速,卻需要好幾個像素才能還原一個區塊的顏色,因此會大幅降低影像解析度。這對寸解析度寸金的天文研究來說,非常划不來,畢竟我們既想得知每個像素接收到的原始顏色,又想獲得以像素為解析單位的最佳畫質,盡可能不要損失任何資訊。

藍綠紅相間的拜爾綠色鏡,廣泛用於日常使用的彩色感光元件,例如手機鏡頭、單眼相機等裝置。圖/Wikipedia

要怎麼讓每個像素都能獨立呈現接收到的光子,而且還能夠完整得到顏色的資訊呢?最好的方法就是在整塊感光元件前加上一塊單色的濾色鏡,然後輪流更換不同的濾色鏡,一次只記錄一種顏色的強度。然後,依照濾鏡的波段賦予影像顏色,進行疊合,得到一張還原真實顏色的照片。如此一來,我們就能用較長的拍攝時間,來換取最完整的資訊量。以天文研究來說,這種做法更加划算。

另外,由於視錐細胞並不是只對單一波長的光敏感,而是能夠接收波長範圍大約數百奈米寬的光,因此若是要還原真實顏色的影像,人們通常會使用寬頻濾鏡(Broadband filter),也就是波段跨足數百奈米的濾鏡進行拍攝。

美麗之外?濾鏡的科學妙用

雖然還原天體的真實顏色是個相當直覺的作法,但既然我們有能力分開不同的顏色,當然就有各式各樣的應用方法。當電子從高能階躍遷回到低能階,就會釋放能量,也就是放出固定波長的電磁波。若是受到激發的元素不同,電子躍遷時放出的電磁波波長也會隨之改變,呈現出不同顏色的光。

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如果我們在拍攝時,可以只捕捉這些特定波長的光,那我們拍出的照片,就代表著該元素在宇宙中的分佈位置。對天文學家來說,這是相當重要的資訊。因此,我們也常使用所謂的窄頻濾鏡(Narrowband filter),只接收目標波段周圍數十甚至數個奈米寬的波長範圍。常見的窄頻濾鏡有氫(H)、氦(He)、氮(N)、氧(O)、硫(S)等等。

有時候,按照原本的顏色疊合一組元素影像並不是那麼妥當,例如 H-alpha(氫原子)和 N II(氮離子)這兩條譜線,同樣都是波長 600 多奈米的紅色光,但如果按照它們原本的波長,在合成影像時都用紅色表示,就很難分辨氫和氮的分布狀態。這時候,天文學家們會按照各個元素之間的相對波長來配製顏色。

以底下的氣泡星雲(Bubble Nebula, NGC7635)為例,波長比較長的 N II 會被調成紅色,相對短一點的 H-alpha 就會調成綠色,而原本是綠色的 O III 氧離子則會被調成藍色。如此一來,我們就可以相對輕鬆地在畫面中分辨各個元素出現的位置。缺點是,如果我們真的用肉眼觀測這些天體,看到的顏色就會跟圖中大不相同。

由哈伯太空望遠鏡拍攝的氣泡星雲,使用了三種波段的窄頻濾鏡。圖/NASA

當然,這種人工配製顏色的方法也可以用來呈現可見光以外的電磁波,例如紅外線、紫外線等。舉哈伯太空望遠鏡的代表作「創生之柱」為例,他們使用了兩個近紅外線波段,比較長波的 F160W 在 1400~1700nm,比較短的 F110W在900~1400nm,分別就被調成了黃色和藍色。星點發出的紅外光穿越了創生之柱的塵埃,與可見光疊合的影像比較,各有各的獨特之處。

三窄頻濾鏡疊合的可見光影像與兩近紅外線波段疊合的影像對比。圖/NASA

望遠鏡接收來自千萬光年外的天體光線,一顆一顆的光子累積成影像上的點點像素,經過科學家們的巧手,成為烙印在人們記憶中的壯麗影像。有些天體按照他們原始的顏色重組,讓我們有如身歷其境,親眼見證它們的存在;有些影像雖然經過調製,並非原汁原味,卻調和了肉眼所不能見的波段,讓我們得以一窺它們背後的故事。

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我已經鎖定你了!多頻譜影像處理演算法於軍事監測系統的應用
科技大觀園_96
・2021/11/04 ・2878字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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戰場上,分秒之差就能是決定勝敗生死的關鍵。因此如何更迅速捕捉敵軍的動向蹤跡,便成為國防軍備的一大研發重點。多頻譜影像技術能確切捕捉到物體反射的光譜資訊,並已在衛星、醫學、動植物辨識領域取得可行的成果。來自中正大學的研究團隊,便致力於建立多頻譜影響處理演算法的資料庫,期望能應用在軍事目標物的偵測追蹤上,為前線戰士助一臂之力!

掌握物體的「本色」:多頻譜影像技術

色差,是日常生活中會碰到的困擾:不管是印刷品的呈色與預想不符,或是網購的衣服顔色與想象中有所落差。這與傳統的色彩影像量測技術,如電腦電視使用的 RGB 三原色光模式及彩色印刷的 CMYK 四分色模式,在不同裝置上檢測及重現時出現的差異有關。但是,只要回歸到視覺與色彩形成的根本——光線,我們可以解決這些問題。

兩種模式最大的差異在於,三原色光模式的原理是紅、藍、綠的光線同時照射在視網膜上,我們眼睛會辨識成白光。四分色模式則是青色、洋紅、黃色顏料疊色後會變成黑色。RGB模式常用在螢幕等發光產品上,而CMYK模式則使用在印刷上。

大家都知道,光源照射物體後,會根據物體特性產生反射、吸收和透射等現象,人眼接收了物體反射的光線,會經由大腦分析視網膜收到的電子訊號,產生視覺色彩的感知。光線是一種電磁波,不同顔色的光有不同的頻率。而所謂的頻譜,就是物體的反射頻譜、投射頻譜或發光頻譜。頻譜影像,顧名思義即是每個畫素都帶有頻譜資訊的影像。

號稱可以捕捉物體本色的多頻譜影像技術(Multi-spectral imaging),厲害之處在於它可以直接擷取畫面頻譜的反射值。這個反射值是唯一值,不會受到不同廠牌的擷取技術或光源影響,因此是十分準確的影像資訊。一般頻譜影像的波段範圍落在可見光範圍(380 – 780nm),在定義上高光譜影像(hyper-spectrum)泛指使用儀器設備所拍攝到的多頻譜影像資料;超頻譜影像,則是以演算法將影像進行計算所得。其所具備的豐富影像資訊,也成為近年來醫學影像判識(如早期癌症病變的診斷)及衛星遙測的一大福音。

衛星遙測也可以使用多頻譜影像技術來提升影像資訊品質。圖/國家太空中心

從依靠人力,到交給演算法裝置代勞的自動目標識別演算法

自動辨識技術(Automatic target recognition,ATR)的源起,可以追溯至二戰前的雷達(註1)。雷達的操作原理,便是將電磁能量以定向方式發射至空間中,藉由接收空間中的物體所反射回來的電波,計算出物體的方向、高度及速度,並探測物體的形狀。過去的雷達偵測技術,仰賴訓練有素的操作員去解讀雷達訊號,如辨識戰機的大小、型號,以幫助戰場上的同胞第一時間掌握敵營的部署。

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不過,人的經驗能力終究有限,因此軍方目標偵測系統也逐漸從人力辨識,逐步發展至交由演算法或裝置來代勞,即自動辨識技術 ATR。準確率更高、速度更快的 ATR,除了可辨識海陸空的軍武,也能偵測生物性目標如動物、人類和植被。目前軍事上通常僅利用一個波段,如近或遠紅外光的資訊來判別目標物,但利用多頻譜影像或超頻譜影像豐富的資訊來進行目標物識別,卻有待發展。

雷達能夠計算出物體的方向、高度及速度,並探測物體的形狀。圖/pixabay

利用多頻譜影像技術,打造鎖定目標的軍事鷹眼!

如果能將多頻譜影響處理演算法帶來的豐富影像資訊,與 ATR 結合,將有望能提升偵測目標的準確率,在戰場上占盡先機。但這不是一件簡單的事:首先,軍武裝載空間有限,因此需以極精簡的光學裝置,來擷取到光路相同的不同波段影像;再來,多頻譜影像資料龐大,因此需整合不同波段的影像特性,以精確辨識俊基、船艦、坦克和建築等目標物;而如何將複雜的演算法轉化成運算夠快的晶片,應用在真實的武器上,也考驗科學家的能耐。

作為影像辨識技術領域的專業,來自國立中正大學的王祥辰教授研究團隊,就志在建立一套適於分析不同目標物特性的超頻譜影像資料庫、開發目標物偵測的多頻譜演算法程式庫,並打造一個方便高效的模擬及演算平台,讓軍方研究者可以進一步建立合適的 ATR 偵測法則。

這項計劃包含三個子系統,子系統 1 是建立多光譜及高光譜拍攝影像的資料庫。就像過去的雷達系統,是依賴熟練的操作員調度腦中記憶的資訊,去與雷達訊號進行比對辨識。要訓練機器裝置去指認出目標物,首先就得提供它一個可靠的影像資料庫作為基礎。為此,研究團隊在不同的天候條件下,拍攝不同波段下的各種目標物如電塔、水泥建築、海面船艦及空中飛行物,來建立一個涵蓋陸、海、空特性的多頻譜與高光譜影像資料庫。

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接著,上述涵蓋不同波段的影像,可以經過子系統 2,進行超頻譜展開運算。在子系統 2 時,為了減少計算量,使用者可設定挑選效果最好的數個頻帶,讓目標與其背景的差異達至最大化。這個過程如同指導電腦來玩「大家來找碴」的游戲,讓電腦可以學會如何在不同的場景、天氣條件下,快速辨識出指定的目標物。

子系統 2 將原本有限頻段的多頻譜影像,轉換為特定目標物適用的超頻譜影像,作為子系統 3 的輸入。在這個友善而直覺的圖形化人機介面,軍事研究人員可以在複雜的影像資料庫及法法則程式庫中不斷進行模擬,找出不同目標物的最佳化演算法則,縮短軍事研發所需的時間,提高所開發武器的效能。

如今,王教授的研究團隊已完成三個子系統的建設。此項研究成果,預計可以應用在各式對地、對空及對海飛彈,以及各式影像偵蒐系統的 ATR 設計開發上,成為新一代的鷹眼。而該研究的系統,也能幫助縮減開發測試的時間,對演算法和超頻譜頻帶最佳化都將有所助益。

【注解】

1.雷達(Radio Detection and Ranging,縮寫為 RADAR),是始於二戰前的偵測技術,其原理是利用將電磁能量以定向方式發射至空間中,藉由接收存在於空間中的物體所反射回來的電波,就可以計算出該物體的方向、高度及速度,並探測物體的形狀。

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參考文獻

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科技大觀園_96
82 篇文章 ・ 1124 位粉絲
為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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風靡世界!全台百萬人已下載「小白濾鏡」,這眼疾年輕人也要注意
careonline_96
・2021/10/26 ・1279字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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風靡世界!全台百萬人已下載「小白濾鏡」,這疾病年輕人也要注意

你可能幫相機安裝過濾鏡,讓相片呈現出各式各樣的風貌,但是有一款「小白濾鏡」卻會不請自來,讓影像變得昏暗、模糊,更麻煩的是這款濾鏡裝在眼睛裡,不是想移除就能輕易移除!

這款風靡世界,全台已有百萬人安裝的「小白濾鏡」,便是白內障。白內障是因為眼睛中原本清澈透明的水晶體病變、混濁,所以看東西時會越來越模糊。根據世界衛生組織的統計,白內障是全世界導致失明的主要原因。

白內障逐漸年輕化,並非老年人的專利!

近年來白內障有年輕化趨勢,30-50 歲民眾罹患比例增加,研判可能與高度近視、長期用眼過度、戶外活動紫外線過量等原因有關。

白內障往往是在不知不覺中發生,並漸漸惡化,患者大多沒有明顯的感覺,建議大家養成定期檢查的習慣,才能及早發現白內障。

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安裝小白濾鏡,模擬白內障看世界

為提醒年輕族群重視眼睛健康,嬌生眼力健以現代人拍照打卡必備的「濾鏡」為主題,推出疾病衛教影片,用濾鏡的效果比喻白內障可能會有的症狀,如色彩失真、視線模糊、莫名光暈等等。

安裝小白濾鏡,模擬白內障看世界

由於大家對於白內障的症狀較陌生,所以同步推出「小白濾鏡」,濾鏡效果可模擬白內障患者所看到的影像,包括視線障礙、彩度降低、視覺模糊等。如果發現自己或家人出現類似狀況,務必立刻就醫。趕快點擊試用「小白濾鏡」。

要治療白內障可透過手術更換人工水晶體,目前人工水晶體的種類、功能眾多,建議可以與醫師討論,選擇最符合個人需求的人工水晶體,以重拾生活品質,恢復睛彩視力。

嬌生眼力健長期深耕於視力照護,協助眼科專業人士提供符合病患需求的治療,包括白內障及角膜健康護理等,也特別呼籲年輕族群,別忽略視線不良帶來的影響及可能造成的傷害,應養成良好的用眼習慣、保護眼睛,並多多關注眼睛的健康狀況!

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觀看完整影片:https://youtu.be/SNruNgYejaw