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【科學講堂】單一像素機 拍「快閃」佔優

2019-01-09
■廠商在介紹相機、手機攝影功能的當兒,許多時候都會強調有多少像素。 網上圖片■廠商在介紹相機、手機攝影功能的當兒,許多時候都會強調有多少像素。 網上圖片

近年流行攝影,大家都躍躍欲試,繼而對相機功能及規格也愈加留意。廠商在介紹相機、手機攝影功能的時候,都會強調有多少「像素(pixel)」。誠然,像素的多寡代表了相機內有多少用來感光的裝置:較多的像素,反映了我們要攝下的影像可以被分為更細的區域,再由每個感光裝置負責每個區域。因此高像素的相機拍下的照片,自然看來更加細緻、捕捉到景象更多的細節。不過在以往的數十年內,有些科學家卻在反其道而行,研究如何只利用單一的像素去攝影!這樣的「單一像素相機」究竟是如何運作的呢?

加濾網分開景象

首先,「只用一個像素」其實是什麼意思呢?如前所述,更多的像素容許相機將要拍攝的景象分成更多的區域,再記下各自區域中不同顏色的光度,繼而拼出一整幅的照片。「只用一個像素」,也就是說並沒有將景象分成不同的區域,而只是用感光裝置記下景象整體的光度。要是如此,我們又怎麼能夠分辨景象中的不同景物呢?

景象中不同位置有不同的景物、顏色、光度等資訊,當然我們還是得收集下來,才能成功建構出令人滿意的照片,只不過我們不是用大量的像素去記錄這些資料罷了。

我們可以在景象前加插「濾網」,將景象的某些部分遮蓋起來,然後才用我們的「單一像素相機」進行拍攝。在加插不同的濾網(也就是將景象不同的部分覆蓋起來)為同一景象量度整體光度後,我們就可以依靠這些「不同濾網、同一景象」的光度數據,去為原來的景象重組出一幅照片了。

在此舉一個聽起來好像不太令人大開眼界的例子:假設我們要拍攝的是法國的國旗。我們用的第一個濾網,就將國旗右面三分之二的面積覆蓋起來,只露出國旗左面三分之一藍色的部分,然後拍下國旗這部分反射的光度。不難想像,我們會用的第二面及第三面濾網,就只分別露出國旗的中央及右邊部分。到最後我們將三部分拼合起來,就能夠成功拍攝到一張法國國旗的照片了。

當然我們要拍攝的景象,大多不會如法國國旗般簡單整齊,因此要使用的濾網,自然要比剛才舉例的複雜得多:可能是如九宮格般將景象以3×3格式分成9分的,甚至是1024×1024分的;而且每個濾網可以用更複雜的模式去遮蓋景象的不同部分,比如左上角的某些位置再加上右下角的一些部分。

當然,照片上不同位置的光度並不是完全獨立,而很有可能是互有關連的:例如一張照片中銀白色月亮的地方,周邊圓形的範圍內很有可能也還是月亮的部分。因此在濾網的設計上我們還可以大花心思,研究如何能用最少的濾網去得到令人滿意的照片。

望偵測甲烷洩漏

不過與我們現用的相機相比,這樣的「單一像素相機」有何優勢?現代的相機能夠拍到細緻的照片,是仰賴蚨貒茠犒陳孺M靈敏的感光裝置;「單一像素相機」在拍照的時候並不依賴這些精密的攝影儀器,反而是在其後利用現在發達的電腦數據處理能力去將照片重組出來。因此在電腦速度越來越快的這個年代,「單一像素相機」可能會在拍攝快速移動物品的情況下佔盡優勢。而且假若要拍攝的並不是平常的可見光(例如紅外線),要製造許多像素的相機可能價值不菲;倘若只需要一個像素的相機,成本自然大降。科學家們其實已利用「單一像素相機」這種技術,成功為會吸收紅外線的甲烷氣體拍下「照片」,希望能在未來用於偵測甲烷洩漏方面。

■張文彥博士 香港大學理學院講師

短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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