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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《道路安全全球現狀報告》，調查顯示全球每年有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。
據我國公路安全管理局統(tǒng)計：事故死亡人數1999年達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，直接財產損失18．8億元。2006年的還沒公布,前6個月就已經發(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。現在，一項與蜣蟲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(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。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(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。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，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(fā)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(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。

　　強強聯手尋突破

　　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取得了很大的進步，但夜間行車的風險仍比白天高得多。

　　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。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(tǒng)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復眼，而復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了。但是，昆蟲視覺系統(tǒng)有獨特的處理光信號方式，它們能夠更好地利用微光。隨著光線變得暗淡，昆蟲眼中的神經網絡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(jié)選擇哪種模式進行成像。

　　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物體運動速度的數學模型。然而，他在研究過程中發(fā)現，屎殼郎眼睛的復雜程度遠遠超過他的這個數學模型。后來，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(fā)中心的工程師共同開發(fā)了一種新的數字圖像處理算法。

　　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。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節(jié)。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。算法的后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3個步驟，即便物體或照相機正處于運動狀態(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計是至關重要的。

　　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？