揭秘源自屎壳郎的大发明：全彩夜视仪 _屎壳郎

揭秘源自屎壳郎的大发明：全彩夜视仪
经常开车的朋友大概都会有这样的体会：夜间开车真不是一件轻松惬意的事情。由于晚上光线差，驾驶者需要加倍小心驾驶以免发生交通事故，因此常常身心疲惫。现在，一项与屎壳郎有关的研究成果有望改变这个糟糕的状况，赐予在黑夜中开车的驾驶者一双明亮的“眼睛”，将漆黑一片的周围环境看得清清楚楚。
大发明出自小昆虫
在澳大利亚新南威尔士州的阿拉伦峡谷，瑞典隆德大学生物学教授埃里克·沃伦正在进行一项奇怪而颇具意义的研究。当他看到一群牛缓缓地从饮水槽边走开时，他欣喜地跑去翻看牛群留下的牛粪。你或许无法将一种全彩的夜视仪与牛粪相联系，而沃伦在牛粪中翻找的东西正是他发明的全彩夜视仪的原型——屎壳郎。目前，沃伦正在与日本丰田汽车公司合作开展研究，希望有朝一日能给汽车驾驶者带来前所未有的夜间驾驶体验。可谁又能想到，这个项目是从研究一堆牛粪开始的呢？
沃伦从1985年开始研究屎壳郎。当时，他还是澳大利亚国立大学的一名博士生。他对那些在漆黑的环境下仍然能够看见东西的动物的眼睛非常着迷，无论是在丛林中会灵巧地绕过树林的鸟类，还是在几乎没有一丝光亮的深海中找到配偶的鱼类。于是，他将研究方向从光学转向对动物眼睛的研究。而屎壳郎之所以深得沃伦的喜欢，是因为金龟属的物种很容易辨认。同时，这些小昆虫能在不同亮度环境下飞行。它们既能在明亮的白天飞行，又能在昏暗的晨曦或夜晚飞行。
后来，沃伦来到瑞典隆德大学，与同事阿尔马特·凯尔波合作开始对夜间活动的昆虫进行研究。他们发现，夜间活动的屎壳郎具有一种非同寻常的能力，能够在夜晚看见许多细节，辨别许多不同颜色的东西，找到食物和配偶，躲避捕食它们的动物，避免撞上障碍物。受此启发，沃伦和凯尔波尝试发明一种新型的夜视系统——全彩夜视仪。
强强联手寻求突破
与此同时，位于比利时布鲁塞尔的丰田汽车公司欧洲研发中心的研究人员琼斯·马德森和柳原弘道正在研发汽车的夜视系统。虽然近年来汽车照明技术取得了很大的进步，但夜间行车的风险仍比白天高得多。据美国国家公路安全管理局统计，虽然夜间行车在整个公路交通中只占1/4，发生的死亡事故却占了1/2，而夜间视线不良所造成的事故占了70% 。因此，汽车的夜视系统对于安全行车显得尤为重要。它不仅能够扫描前方路面，避免潜在的危险，提升驾驶安全性，而且能够监视驾驶者，捕捉驾驶者瞌睡或醉酒驾驶的信号。目前，虽然部分技术已经在顶级汽车中得到应用，但是现有的设计仍然存在明显的缺陷。例如，现有的汽车夜视系统依靠的是红外线照明，只能显示黑白画面，而黑白画面上显示的细节通常难以让人察觉。此外，夜视系统采用的红外线成像技术过于依赖热量、温度，在某些情况下会导致所探测到的图像不真实，结果不理想，从而造成重大安全事故。
那么，怎样才能提高夜视仪在微光环境下的性能？研究人员利用人的瞳孔在黑暗中会放大的原理，扩大夜视仪镜头的孔径，使其在黑暗中能够有更多光线进入。此外，通过采用性能更好的探测器，即对数码相机增加感光元件，对传统相机增加胶片中的感光化学颗粒，也能达到同样的效果。不过，这些改良措施都不足以创造一种新的实用装置，用以捕捉动态图像而不会导致图像模糊不清。
为了解决汽车夜视系统设计中所遇到的挑战，马德森和柳原弘道开始向自然界寻求灵感。在一次偶然的机会中，马德森和柳原弘道获知沃伦正在对夜间活动的昆虫进行研究。马德森和柳原弘道正在设计的夜视系统需要智能图像处理技术的帮助，而这一技术正好使沃伦所推崇的夜间活动的昆虫有了用武之地。沃伦的研究对象屎壳郎拥有一双复眼，而复眼是由很多小眼组成。这些小眼能够在感光细胞阵列上共同组成一副单一的图像。从理论上讲，昆虫的小眼的夜视能力比人类的大眼睛差远了。但是，昆虫视觉系统有独特的处理光信号方式，它们能够更好地利用微光。随着光线变得黯淡，昆虫眼中的神经网络既能从相邻感光器获取信号，也能将所收集的这些信号保存更长的时间。根据光线强弱、物体运动快慢，昆虫会自主调节选择哪种模式进行成像。
清晰还原夜间世界
早在1999年，沃伦就建立了一个用来描述任何亮度范围内物体运动速度的数学模型。然而，他在研究过程中发现，屎壳郎眼睛的复杂程度远远超过他的这个数学模型。后来，利用屎壳郎的眼睛工作机制，沃伦和隆德大学的数学家、丰田汽车公司欧洲研发中心的工程师共同开发了一种新的数字图像处理算法。
这种算法的工作原理与昆虫夜间视物的原理相似。第一步，对一张数码相机在夜间拍摄的照片进行处理，提高图像的亮度和对比度。一张照片是由数百万矩形像素阵列组成的，每个像素点代表一个特定的光强度。而一张典型的夜间照片通常包含很多亮度接近零的像素点，同时也可能有一些亮度很高的点。这种算法可使图像中包含信息最多的那部分发亮，其他部分则保持不变。对于一张在几乎完全漆黑的环境下拍摄的照片而言，这种方法能够显示一些细节。然而，这种方法也会在图像上出现一些斑点。因此，第二步要去除这些斑点，而这部分的设计灵感主要来自屎壳郎的眼睛。算法的最后一步是通过修复可能在清除斑点的过程中丢失或被模糊的边缘部分，来提高图像的清晰度。通过以上三个步骤，即便物体或照相机正处于运动状态，这一算法也能处理出清晰的图像。
在项目启动3年后，研究团队终于能够在人眼几乎完全看不见的情况下，实时拍摄到全彩的动态图像。为了降低成本，这个系统使用普通的数码相机和计算机。目前，研究团队已经在丰田汽车公司的实验室里对这个装置进行试验。不过，现在说这项技术将会广泛应用于未来的汽车还为时过早。
无论这个夜视系统未来如何应用在汽车上，都将提升驾驶者夜间驾车的可视能力，这对于未来汽车的设计是至关重要的。谁也没有想到，自己的“救命恩人”竟然是一堆牛粪中不起眼的屎壳郎呢？
【揭秘源自屎壳郎的大发明：全彩夜视仪】
科学画报文/居家奇林燕丹