【科学讲堂】单一像素机 拍「快闪」佔优

2019-01-09 01:44:03  阅读 59 次 评论 0 条
■厂商在介绍相机、手机摄影功能的当儿,许多时候都会强调有多少像素。 网上图片
■厂商在介绍相机、手机摄影功能的当儿,许多时候都会强调有多少像素。 网上图片

  近年流行摄影,大家都跃跃欲试,继而对相机功能及规格也愈加留意。厂商在介绍相机、手机摄影功能的时候,都会强调有多少「像素(pixel)」。诚然,像素的多寡代表了相机内有多少用来感光的装置:较多的像素,反映了我们要摄下的影像可以被分为更细的区域,再由每个感光装置负责每个区域。因此高像素的相机拍下的照片,自然看来更加细緻、捕捉到景象更多的细节。不过在以往的数十年内,有些科学家却在反其道而行,研究如何只利用单一的像素去摄影!这样的「单一像素相机」究竟是如何运作的呢?

  加滤网分开景象

  首先,「只用一个像素」其实是什幺意思呢?如前所述,更多的像素容许相机将要拍摄的景象分成更多的区域,再记下各自区域中不同颜色的光度,继而拼出一整幅的照片。「只用一个像素」,也就是说并没有将景象分成不同的区域,而只是用感光装置记下景象整体的光度。要是如此,我们又怎幺能够分辨景象中的不同景物呢?

  景象中不同位置有不同的景物、颜色、光度等资讯,当然我们还是得收集下来,才能成功建构出令人满意的照片,只不过我们不是用大量的像素去记录这些资料罢了。

  我们可以在景象前加插「滤网」,将景象的某些部分遮盖起来,然后才用我们的「单一像素相机」进行拍摄。在加插不同的滤网(也就是将景象不同的部分覆盖起来)为同一景象量度整体光度后,我们就可以依靠这些「不同滤网、同一景象」的光度数据,去为原来的景象重组出一幅照片了。

  在此举一个听起来好像不太令人大开眼界的例子:假设我们要拍摄的是法国的国旗。我们用的第一个滤网,就将国旗右面三分之二的面积覆盖起来,只露出国旗左面三分之一蓝色的部分,然后拍下国旗这部分反射的光度。不难想像,我们会用的第二面及第三面滤网,就只分别露出国旗的中央及右边部分。到最后我们将三部分拼合起来,就能够成功拍摄到一张法国国旗的照片了。

  当然我们要拍摄的景象,大多不会如法国国旗般简单整齐,因此要使用的滤网,自然要比刚才举例的複杂得多:可能是如九宫格般将景象以3×3格式分成9分的,甚至是1024×1024分的;而且每个滤网可以用更複杂的模式去遮盖景象的不同部分,比如左上角的某些位置再加上右下角的一些部分。

  当然,照片上不同位置的光度并不是完全独立,而很有可能是互有关连的:例如一张照片中银白色月亮的地方,周边圆形的範围内很有可能也还是月亮的部分。因此在滤网的设计上我们还可以大花心思,研究如何能用最少的滤网去得到令人满意的照片。

  望侦测甲烷洩漏

  不过与我们现用的相机相比,这样的「单一像素相机」有何优势?现代的相机能够拍到细緻的照片,是仰赖精细的像素和灵敏的感光装置;「单一像素相机」在拍照的时候并不依赖这些精密的摄影仪器,反而是在其后利用现在发达的电脑数据处理能力去将照片重组出来。因此在电脑速度越来越快的这个年代,「单一像素相机」可能会在拍摄快速移动物品的情况下佔尽优势。而且假若要拍摄的并不是平常的可见光(例如红外线),要製造许多像素的相机可能价值不菲;倘若只需要一个像素的相机,成本自然大降。科学家们其实已利用「单一像素相机」这种技术,成功为会吸收红外线的甲烷气体拍下「照片」,希望能在未来用于侦测甲烷洩漏方面。

  ■张文彦博士 香港大学理学院讲师

  短暂任职见习土木工程师后,决定追随对科学的兴趣,在加拿大多伦多大学取得理学士及哲学博士学位,修读理论粒子物理。现任香港大学理学院讲师,教授基础科学及通识课程,不时参与科学普及与知识交流活动。

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