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作者:郑舜华 来源:周末画报 [587期 A24]

在视线极差的夜晚，车祸发生率往往是明亮白天的数倍，但现在源自一堆牛粪的研究成果也许可以改变这个糟糕的现状，让未来的汽车在即使漆黑一片的环境中，也能拥有非常清楚的路面视野。

这个世界上大概没有谁会像Eric Warrant这样，见到牛粪居然这么激动。某天，当他驱车行驶在澳大利亚新南威尔士的Araluen 峡谷，看到一群牛缓缓从饮水槽边走开时，他乐滋滋地嚷道：“这真是太棒了。”于是马上将方向盘一打，把他那辆锈迹斑斑的小卡车停在路边。

一下车，他便跃过围栏，迫不及待地把手插进一堆冒着热气的牛粪里。

那可不是一堆刚刚拉出来的牛粪。因为他说：“最好的研究对象是拉了一两个小时的牛粪，因为那种牛粪就会外脆内黏。” Warrant的食指在一团湿漉漉的牛粪中拼命地挖掘，终于他用手钩出一只什么细小的东西，擦拭一下，原来是一只长着褐色硬壳的屎壳郎。Warrant扑通一声将这只只有指甲大小的小东西扔进桶里，“好极了，这正是我要找的东西。”接着他又孜孜不倦地继续在牛粪里寻宝。

从一堆牛粪开始

Eric Warrant对牛粪的热情可不是毫无缘由的，因为牛粪，他得到了一项突破性的研究成果—全彩夜视摄像机。这个研究项目跟丰田汽车紧密合作，有朝一日将会给汽车驾驶者带来前所未有的路况体验。

Warrant从1985年便开始研究屎壳郎，那时他还是堪培拉澳大利亚国立大学的一名博士生，他的兴趣从光学迅速转入到对动物眼睛的研究中去。现在他在瑞典兰德大学工作，但仍然会定期回到故国澳大利亚。最令他着迷的是那些在漆黑的环境下仍然能够看见东西的动物，不论这些动物是在夜间丛林中灵巧绕过树林的鸟类，还是在深海中漆黑一片的环境下找到配偶的鱼类。

屎壳郎之所以深得Warrant喜欢，就是因为这种金龟属的物种非常好辨认。这些小昆虫在不同的时间段飞行，那些白天飞行的物种拥有在明亮光线下视物的眼睛。在晨昏时刻活动的物种则能够在早晨和傍晚的微弱光线中视物。至于夜间活动的物种，比如另外一种甲壳虫Onitis aygulus，则是在澳大利亚北部发现，Warrant 说：“金龟属物种是种非常有意思的生物，它们的眼睛和生理学都有相应的变化，以适应在不同光线下活动的需要。”

Warrant将屎壳郎和飞蛾这两种不同物种在夜间飞行的特点进行了比较。终于，借助数学家和丰田汽车工程师的经验帮助，他研发出了全彩夜视摄像机。这项突破性的技术将应用在汽车的夜视系统中，让未来的汽车驾驶者尽早发现前方黑暗中隐藏的潜在危险，避免意外事故的发生。

与丰田汽车联手研究

尽管这些年来汽车照明技术取得不小的进步，但夜间行车的风险仍比白天大得多。常有这种情况，当你在灯光里发现有人在路边换轮胎，或是有行人或牲口横过公路时，已经是措手不及了。

据美国国家公路安全管理局的统计，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其中一半。而夜间视线不良所造成的事故占了70％。因此一直以来，汽车制造商都对这样的汽车夜视系统感兴趣：能够提升驾驶安全性，可以监视驾驶者，捕捉驾驶者瞌睡或醉酒驾驶的信号，或扫描前方路面潜在的危险。以上几点有些已经在顶级汽车中得到应用，但是现有的设计仍然存在着突出的缺点。

汽车晚上行驶所处的光线远比白天黯淡，车里装置的摄像机敏感度不够，不足以利用这些光线。因此现有的汽车夜视系统依靠的是红外线照明，这让摄像机只能显示黑白画面，而黑白画面中显示的细节通常难以让人察觉，因此，这种夜视技术还有巨大的提升空间。

丰田汽车欧洲研发中心位于比利时布鲁塞尔，该中心的Jonas Ambeck-Madsen和Hiromichi Yanagihara正在向自然界寻求灵感，以解决汽车夜视系统设计中所遇到的挑战。在一次偶然的机会中，他们获知Warrant正在对夜间活动的昆虫进行研究。Warrant的研究给了他们很大的启发。Warrant发现，夜间活动的屎壳郎和飞蛾具有一种非同寻常的能力，能够在夜晚看见许多细节，辨别许多不同的东西和颜色，找到食物和配偶，并躲避捕食它们的天敌，避免撞上障碍物。由此受到启发，Warrant和同事尝试发明一种新型的夜视感应器，目标是发明一种新的摄像机，以真实的色彩捕捉夜间景观。比起传统的夜视技术，这种摄像机能够在更大的明亮度和阴影范围内进行工作。

现有的技术中，有许多方法可以提升摄像机在微弱光线下的性能。就如人的瞳孔在黑暗中会放大一样，我们可以扩大摄像机镜头的孔径，使其在黑暗中能够有更多光线进入。对于静止的图像，延长快门开启的时间，就能够增加曝光时间，达到同样的效果。

另外，我们还可以通过采用性能更好的探测器，增大感光元素—也就是数码相机中的像素，或者传统胶片中的感光化学颗粒，达到同样的效果。但是这些改良措施都不足以创造一种新的实用装置，在捕捉移动图像的同时，不会导致图像混乱模糊，出现拖尾现象，产生多余斑点或者失去细节。现在人们所需的是智能的图像处理技术，在这种情况下，Warrant所推崇的夜间活动昆虫恰好有了用武之地。

屎壳郎和飞蛾有一个共同点：它们都拥有一双复眼，眼睛中拥有多重水晶体，这些水晶体能够依据潜在阵列的感光细胞来形 单一的图像。从理论上来讲，这些小动物眼睛中的水晶体在夜晚视物方面应该比人类的眼睛差远了，但是，昆虫目视系统中细胞处理光信号的方式，使它们能够更好地利用细微的光线。随着光线变得黯淡，昆虫眼中的神经细胞既能集中使用周围感光器的信号，又能收集这些信号，将信号保存更长的时间。

神奇之眼

1999年，Warrant发明了一种数学模型，用以对任何特定光强度和图像的运动速度进行最佳的“时空总和”的策略描述。然而，通过研究，现在他认为，金龟属昆虫眼睛的复杂程度远远超过他这个数学模型所能描述的。

Warrant和他的研究团队将金龟属昆虫的眼睛构造称为“局部适应的时空滤波”，这一构造已经变成一种新的数字图像处理算法的灵感来源。这一新的算法由Warrant、数学家Henrik Malm、Magnus Oskarsson和丰田汽车欧洲研发部的工程师共同发明。

假如你想理解这个算法是怎么工作的，想象一下，一个图像是怎么被数码摄像机录下来的。晚上拍摄下来的一张典型的照片包含许多低像素的部分，采用他们的算法，就可以提高图像的明亮度和对比度。这种“非线性扩大”使图像中包含信息最多的那部分发亮，其他部分保持不变。这一点与昆虫夜间视物的原理相似。

对于一张在几乎完全漆黑的环境下拍摄的照片而言，这种提升能够显示一些细节，然而，这也会使图像出现粒状和斑点。因为，与此同时，任何零散的光子和电子噪音都会被扩大。下一步要改进设计的就是使时空噪音减少，而这部分的灵感大部分来自昆虫的夜视系统。

为了做到这一点，该算法将存储在每个像素里的值和邻近像素的值进行对比，通过画面寻找任何连续性和相互的关系，因为这意味着真正的目标。与此同时，任何只发生在单一画面中的单个或两个像素里的信号，很可能是噪音，可以被清除掉，从而帮助提高图像的锐度。

初版的算法运算起来相当的慢：用一整夜仅能分析一段很短的黑白录像。通过试验改进，这个研究团队最后采用了简化高效版的软件，该软件可以实时自治工作，即使软件被安装在一辆高速行驶的汽车中，汽车处于黑暗嘈杂的环境下。

这个团队的设想是，他们也许需要设计一种特定的数据处理芯片，用来运行那个算法，而芯片可能会被嵌入一部数码摄像机里。目前，这个系统使用一个标准的数码相机和微处理机，因此能够控制成本。研究人员已经在丰田汽车的实验室里对这个装置进行了试验，然而现在还难说这项技术会被怎样应用到汽车中去。应用方式的大概设想是：可以对驾驶者发出距离预警警报，当前方路面有行人或障碍物时，向驾驶者发出警告，或者形成某种自动化的防撞车装置。

无论这个系统未来如何应用在汽车上，这一夜视装置对于未来的汽车设计而言都至关重要。因为，在夜晚时刻，路上的行人被撞死的概率是白天的两倍。而谁又能想到，也许有那么一天，你的“救命恩人”竟然来自一堆牛粪？