黄铁军:脉冲相机追光逐电,连续视觉回顾自然
时间:2023-01-11 02:01:02 来源:科普之家 作者:北京科协 栏目:前沿 阅读:263
在2023新年来临之际,我想每个人都会拍不少照片。大家拍照时往往有个习惯:“不要动啊,保持微笑,咔嚓!”今天我要给大家介绍一款新相机,这款相机没有快门,你要做的只是对准目标,精彩瞬间就不会错过,而且绝对不模糊。
先看展示。现在拍摄舞台上的这台电风扇,大家左侧屏幕画面来自电视台专业摄像机,右侧屏幕画面来自我们研制的脉冲相机。现在风扇静止不动,扇页上的文字和图标两边都很清楚。现在让风扇转起来,风扇越转越快,一直到每分钟2400转,注意两边的画面:左边的画面出现了倒转错误,后来就模糊不清了,我们人眼看到的也是模糊一片。右边屏幕上有两个画面,分别是脉冲相机采集的实时信号和慢放画面,实时信号就像电扇一样快,本身很清楚,但人眼看不清,右侧画面是慢放,大家通过电视屏幕应该能够看清楚上面的文字,可能会有拖影,那是因为电视转拍带来的问题,现场画面清清楚楚,一点儿都不模糊。
大家可能会说,这不就是高速摄像机吗?其实这个小小的脉冲相机,性能远超高速摄像机。我们看个更快的,现在屏幕上展示的是在北大物理系拍摄的6马赫高超声速风洞激波,慢放100倍,每个瞬间都清晰,价格上百万的高速相机都做不到。
脉冲相机为什么这么厉害?原因在于它采用了全新的连续摄影原理。数码相机继承了传统胶片相机工作原理,就是把光变化过程看作物理对象,就像一根香肠,电影是咔咔咔每秒切成24段,每一段再压扁成一幅静止图像。数码相机不用胶片,用光电器件,但成像原理并没有变,换汤不换药,胶片相机拍摄高速过程会模糊,数码相机也是如此,所以说数码相机并没有完成数字化革命。
连续摄影新原理颠覆了成像概念。大家知道,数码相机的光电传感器是一颗颗独立像素组成的,1000万像素就是1000万个独立像素组成的阵列,为什么非要模仿胶片相机僵化地同步曝光成像呢?
与传统摄影“切香肠”不同,连续摄影新原理把光过程看作一束“面条”,每个像素对应一根面条,负责把这根面条对应的光子流转换成一个电子流。要知道,光电转换通常在10纳秒量级,因此,这个过程是一个超高速过程。
具体到脉冲相机,每个像素收集到额定数量光子后,转换成一个数字比特,称为脉冲,你可以认为一个脉冲是一组光子,或者一个颗粒度更大的光子。累计形成一个脉冲的时间越短,就表示光越强,反之,光越弱,因此脉冲序列的疏密变化过程对应了那个像素的光强变化过程。
要得到某一时刻图像,只要把所有像素在那个时刻的光强排列成阵列就可以了。屏幕上显示的是我的挥手过程,每个时刻的图像都清清楚楚,这是新原理保证的。以后脉冲相机普及后,大家都可以拍摄足球比赛、舞台表演、动物摄影,只要你镜头对准拍摄对象,拍下几秒钟的脉冲流,你就可以连续滑动时间,找到最精彩的瞬间。
发明了能够连续摄影的脉冲相机,马上会想到第二个发明,那就是相机的对称装置——显示屏:相机把超高速光子流变成高速脉冲流,显示器就把脉冲流再转换成高速光子流。现在的显示器刷新率来自接收的视频帧率,只有几十赫兹,变成高速显示器后,就能重现车轮旋转等高速过程,看这样的屏幕,就像透过玻璃看窗外景物一样自然。
再接着想,把脉冲相机和脉冲显示器背靠背连通,就是第三个发明:单向透明电子玻璃。车辆、飞机、墙壁等外侧装上脉冲相机,内侧装上脉冲显示屏,从内向外看,就像透明玻璃;从外向内看,只是隐藏了摄像头的墙壁。
再进一步,把电子透明玻璃做成虚拟现实眼镜。现在无论是VR、AR还是MR,都还是采用视频,最快也就是每秒120帧,头部转动时往往会模糊眩晕,因为这个原因,VR眼镜很难成为消费电子产品。脉冲相机和显示屏可以从根本上解决这个问题,刷新率达到亚毫秒,就像佩戴了一个玻璃眼镜一样舒适自然,让你自由出入元宇宙虚拟世界和熟悉的物理世界,分不清楚身处虚拟还是现实之中,这时真正的数字时代就到来了。
通过这个例子我想传达的是,发明无处不在。只要思维不僵化,对习以为常的基本原理和标准答案不简单接受,多问几个为什么,每个人都可能做出原始创新。牛顿重新思考苹果落地和地球的关系,发现了万有引力定律。爱因斯坦质疑时间和空间的绝对性,提出了相对论。科技创新就要刨根问底,你质疑的原理越基础,创新的颠覆性就越强,期望中国出现越来越多的原始创新!
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