揭秘源自屎殼郎的大發明：全彩夜視儀
經常開車的朋友大概都會有這樣的體會：夜間開車真不是一件輕鬆愜意的事情。由於晚上光線差，駕駛者需要加倍小心駕駛以免發生交通事故，因此常常身心疲憊。現在，一項與屎殼郎有關的研究成果有望改變這個糟糕的狀況，賜予在黑夜中開車的駕駛者一雙明亮的「眼睛」，將漆黑一片的周圍環境看得清清楚楚。
大發明出自小昆蟲
在澳大利亞新南威爾士州的阿拉倫峽谷，瑞典隆德大學生物學教授埃里克·沃倫正在進行一項奇怪而頗具意義的研究。當他看到一群牛緩緩地從飲水槽邊走開時，他欣喜地跑去翻看牛群留下的牛糞。你或許無法將一種全彩的夜視儀與牛糞相聯繫，而沃倫在牛糞中翻找的東西正是他發明的全彩夜視儀的原型——屎殼郎。目前，沃倫正在與日本豐田汽車公司合作開展研究，希望有朝一日能給汽車駕駛者帶來前所未有的夜間駕駛體驗。可誰又能想到，這個項目是從研究一堆牛糞開始的呢？
沃倫從1985年開始研究屎殼郎。當時，他還是澳大利亞國立大學的一名博士生。他對那些在漆黑的環境下仍然能夠看見東西的動物的眼睛非常著迷，無論是在叢林中會靈巧地繞過樹林的鳥類，還是在幾乎沒有一絲光亮的深海中找到配偶的魚類。於是，他將研究方向從光學轉向對動物眼睛的研究。而屎殼郎之所以深得沃倫的喜歡，是因為金龜屬的物種很容易辨認。同時，這些小昆蟲能在不同亮度環境下飛行。它們既能在明亮的白天飛行，又能在昏暗的晨曦或夜晚飛行。
後來，沃倫來到瑞典隆德大學，與同事阿爾馬特·凱爾波合作開始對夜間活動的昆蟲進行研究。他們發現，夜間活動的屎殼郎具有一種非同尋常的能力，能夠在夜晚看見許多細節，辨別許多不同顏色的東西，找到食物和配偶，躲避捕食它們的動物，避免撞上障礙物。受此啟發，沃倫和凱爾波嘗試發明一種新型的夜視系統——全彩夜視儀。
強強聯手尋求突破
與此同時，位於比利時布魯塞爾的豐田汽車公司歐洲研發中心的研究人員瓊斯·馬德森和柳原弘道正在研發汽車的夜視系統。雖然近年來汽車照明技術取得了很大的進步，但夜間行車的風險仍比白天高得多。據美國國家公路安全管理局統計，雖然夜間行車在整個公路交通中只佔1/4，發生的死亡事故卻佔了1 /2，而夜間視線不良所造成的事故佔了70%。因此，汽車的夜視系統對於安全行車顯得尤為重要。它不僅能夠掃瞄前方路面，避免潛在的危險，提升駕駛安全性，而且能夠監視駕駛者，捕捉駕駛者瞌睡或醉酒駕駛的信號。目前，雖然部分技術已經在頂級汽車中得到應用，但是現有的設計仍然存在明顯的缺陷。例如，現有的汽車夜視系統依靠的是紅外線照明，只能顯示黑白畫面，而黑白畫面上顯示的細節通常難以讓人察覺。此外，夜視系統採用的紅外線成像技術過於依賴熱量、溫度，在某些情況下會導致所探測到的圖像不真實，結果不理想，從而造成重大安全事故。
那麼，怎樣才能提高夜視儀在微光環境下的性能？研究人員利用人的瞳孔在黑暗中會放大的原理，擴大夜視儀鏡頭的孔徑，使其在黑暗中能夠有更多光線進入。此外，通過採用性能更好的探測器，即對數碼相機增加感光元件，對傳統相機增加膠片中的感光化學顆粒，也能達到同樣的效果。不過，這些改良措施都不足以創造一種新的實用裝置，用以捕捉動態圖像而不會導致圖像模糊不清。
為瞭解決汽車夜視系統設計中所遇到的挑戰，馬德森和柳原弘道開始向自然界尋求靈感。在一次偶然的機會中，馬德森和柳原弘道獲知沃倫正在對夜間活動的昆蟲進行研究。馬德森和柳原弘道正在設計的夜視系統需要智能圖像處理技術的幫助，而這一技術正好使沃倫所推崇的夜間活動的昆蟲有了用武之地。沃倫的研究對象屎殼郎擁有一雙複眼，而複眼是由很多小眼組成。這些小眼能夠在感光細胞陣列上共同組成一副單一的圖像。從理論上講，昆蟲的小眼的夜視能力比人類的大眼睛差遠了。但是，昆蟲視覺系統有獨特的處理光信號方式，它們能夠更好地利用微光。隨著光線變得黯淡，昆蟲眼中的神經網路既能從相鄰感光器獲取信號，也能將所收集的這些信號保存更長的時間。根據光線強弱、物體運動快慢，昆蟲會自主調節選擇哪種模式進行成像。
清晰還原夜間世界
早在1999年，沃倫就建立了一個用來描述任何亮度範圍內物體運動速度的數學模型。然而，他在研究過程中發現，屎殼郎眼睛的複雜程度遠遠超過他的這個數學模型。後來，利用屎殼郎的眼睛工作機制，沃倫和隆德大學的數學家、豐田汽車公司歐洲研發中心的工程師共同開發了一種新的數字圖像處理演算法。
這種演算法的工作原理與昆蟲夜間視物的原理相似。第一步，對一張數碼相機在夜間拍攝的照片進行處理，提高圖像的亮度和對比度。一張照片是由數百萬矩形象素陣列組成的，每個像素點代表一個特定的光強度。而一張典型的夜間照片通常包含很多亮度接近零的像素點，同時也可能有一些亮度很高的點。這種演算法可使圖像中包含信息最多的那部分發亮，其他部分則保持不變。對於一張在幾乎完全漆黑的環境下拍攝的照片而言，這種方法能夠顯示一些細節。然而，這種方法也會在圖像上出現一些斑點。因此，第二步要去除這些斑點，而這部分的設計靈感主要來自屎殼郎的眼睛。演算法的最後一步是通過修復可能在清除斑點的過程中丟失或被模糊的邊緣部分，來提高圖像的清晰度。通過以上三個步驟，即便物體或照相機正處於運動狀態，這一演算法也能處理出清晰的圖像。
在項目啟動3年後，研究團隊終於能夠在人眼幾乎完全看不見的情況下，實時拍攝到全彩的動態圖像。為了降低成本，這個系統使用普通的數碼相機和計算機。目前，研究團隊已經在豐田汽車公司的實驗室裡對這個裝置進行試驗。不過，現在說這項技術將會廣泛應用於未來的汽車還為時過早。
無論這個夜視系統未來如何應用在汽車上，都將提升駕駛者夜間駕車的可視能力，這對於未來汽車的設計是至關重要的。誰也沒有想到，自己的「救命恩人」竟然是一堆牛糞中不起眼的屎殼郎呢？
来源:科學畫報
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