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夜視儀-牛糞中找到的“救命稻草”

2010-09-03

     世界衛(wèi)生組織新發(fā)布全球首份《道路安全全球現(xiàn)狀報告》，調(diào)查顯示全球每年有127萬人死于道路交通事故，其中46%都是行人、自行車或者摩托車駕駛者。死于交通事故者，中國更多。
     據(jù)我國公路安全管理局統(tǒng)計：事故死亡人數(shù)1999年達(dá)8萬4000人，2000年近9萬2000人，2001年為10萬4000人，2002年為10萬9000人，2003年為10萬5000人，占全世界的15%強(qiáng)2005年全國道路交通安全情況。2005年，全國共發(fā)生道路交通事故450254起，造成98738人死亡、469911人受傷，直接財產(chǎn)損失18．8億元。2006年的還沒公布,前6個月就已經(jīng)發(fā)生道路交通事故19萬270起，造成4萬1933人死亡、22萬1838人受傷，直接財產(chǎn)損失人民幣（下同）7億1000萬元（約1億4000萬新元）；一次死亡5人以上的特大道路交通事故180起，造成1266人死亡. 雖然夜間行車在整個公路交通中只占1/4，發(fā)生的死亡事故卻占了1/2，而夜間視線不良所造成的事故占了70%。因此，汽車的夜視系統(tǒng)對于安全行車顯得尤為重要。

　 夜間開車真不是一件輕松愜意的事情。由于晚上光線差，駕駛者需要加倍小心駕駛以免發(fā)生交通事故，因此常常身心疲憊。現(xiàn)在，一項與蜣蟲有關(guān)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(huán)境看得清清楚楚。

　　靈感來自蜣蟲

　　在澳大利亞新南威爾士州的阿拉倫峽谷，瑞典隆德大學(xué)生物學(xué)教授埃里克·沃倫正在進(jìn)行一項奇怪而頗具意義的研究。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(lián)系，而沃倫在牛糞中翻找的東西正是他發(fā)明的全彩夜視儀的原型——屎殼郎（蜣蟲）。

　　沃倫從1985年開始研究屎殼郎。當(dāng)時，他還是澳大利亞國立大學(xué)的一名博士生。他對那些在漆黑的環(huán)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。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(rèn)。同時，這些小昆蟲能在不同亮度環(huán)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。

　　后來，沃倫來到瑞典隆德大學(xué)，與同事阿爾馬特·凱爾波合作開始對夜間活動的昆蟲進(jìn)行研究。他們發(fā)現(xiàn)，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(xì)節(jié)，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(fā)，沃倫和凱爾波嘗試發(fā)明一種新型的夜視系統(tǒng)——全彩夜視儀。

　　強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手尋突破

　　與此同時，位于比利時布魯塞爾的豐田汽車公司歐洲研發(fā)中心的研究人員瓊斯·馬德森和柳原弘道正在研發(fā)汽車的夜視系統(tǒng)。雖然近年來汽車照明技術(shù)取得了很大的進(jìn)步，但夜間行車的風(fēng)險仍比白天高得多。

　　目前，雖然部分技術(shù)已經(jīng)在頂級汽車中得到應(yīng)用，但是現(xiàn)有的設(shè)計仍然存在明顯的缺陷。怎樣才能提高夜視儀在微光環(huán)境下的性能？

　　在一次偶然的機(jī)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(jìn)行研究。馬德森和柳原弘道正在設(shè)計的夜視系統(tǒng)需要智能圖像處理技術(shù)的幫助，而這一技術(shù)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復(fù)眼，而復(fù)眼是由很多小眼組成。這些小眼能夠在感光細(xì)胞陣列上共同組成一幅單一的圖像。從理論上講，昆蟲的小眼的夜視能力比人類的大眼睛差遠(yuǎn)了。但是，昆蟲視覺系統(tǒng)有獨(dú)特的處理光信號方式，它們能夠更好地利用微光。隨著光線變得暗淡，昆蟲眼中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jù)光線強(qiáng)弱、物體運(yùn)動快慢，昆蟲會自主調(diào)節(jié)選擇哪種模式進(jìn)行成像。

　　清晰還原夜世界

　　早在1999年，沃倫就建立了一個用來描述任何亮度范圍內(nèi)物體運(yùn)動速度的數(shù)學(xué)模型。然而，他在研究過程中發(fā)現(xiàn)，屎殼郎眼睛的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過他的這個數(shù)學(xué)模型。后來，利用屎殼郎的眼睛工作機(jī)制，沃倫和隆德大學(xué)的數(shù)學(xué)家、豐田汽車公司歐洲研發(fā)中心的工程師共同開發(fā)了一種新的數(shù)字圖像處理算法。

　　這種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(shù)碼相機(jī)在夜間拍攝的照片進(jìn)行處理，提高圖像的亮度和對比度。對于一張在幾乎完全漆黑的環(huán)境下拍攝的照片而言，這種方法能夠顯示一些細(xì)節(jié)。然而，這種方法也會在圖像上出現(xiàn)一些斑點。因此，第二步要去除這些斑點，而這部分的設(shè)計靈感主要來自屎殼郎的眼睛。算法的后一步是通過修復(fù)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3個步驟，即便物體或照相機(jī)正處于運(yùn)動狀態(tài)，這一算法也能處理出清晰的圖像。

　　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。無論這個夜視系統(tǒng)未來如何應(yīng)用在汽車上，都將提升駕駛者夜間駕車的可視能力，這對于未來汽車的設(shè)計是至關(guān)重要的。

　　或許，誰都不會往這方面想——自己的“救命恩人”竟然是一堆牛糞中不起眼的屎殼郎？