2011-11-11

紅外線是什麼顏色?

(科普類,12 歲以上)

讓我們實驗一下這種隨記被 google indexed 之後,會不會有人點來看。聽說「有啊,我那個亂無聊的東西都有人點來看啊∼」

有個朋友看到特價的網路攝影機,就想找一個來用用看。做功課的時候,其中有一個是紅外線的,上面除了一般的攝影鏡頭,在四個角落還有四顆所謂的紅外線 LED,再看看網路上面的 demo,看到了幾張紅外線照片,就心生疑問:
紅外線攝影機拍起來到底是什麼顏色?
好吧,我們先來解決這個問題:「紅外線是什麼顏色?」我們必須先了解的一個事實是,「顏色」是一種人類視覺系統對不同頻率/波長的可見光所產生的不同「印象」,對於中間波長的光,我們會有綠色的印象,對於短波長的光,我們會產生藍色的印象,對於長波長的光,我們則心生紅色的印象,光的波長再長一點的話,也就是頻率再低一點的話,我們就看不見了,既然位於可見的範圍之外,我們就把它叫做「紅外線」。就連人的身體都不時地發出紅外線,其頻率距離可見光頻帶比攝影機用的「近紅外線」(near infrared)更遠,也稱為「遠紅外線」(far infrared)。因此,紅外線是什麼顏色?一個三秒鐘的答案是,
紅外線根本談不上顏色。
肉眼可以看得到的,才談得上「顏色」,肉眼看不到的,就算是機器看到了,根據定義,毫無「顏色」可言。

其實在我們的視網膜上,有三種偵測顏色的細胞,它們分別對於紅色、綠色跟藍色比較敏感。當外界某個特定顏色的光線投射在視網膜上的時候,這三種不同的細胞就會對這個特定顏色的光線產生強度不同的反應。這些不同的反應經過視神經傳到後腦杓的視覺區,會開始被那邊的視覺腦細胞層層處理下去,最後會造成我們意識上的一種顏色印象。因為這三種信號彼此之間相當地「獨立」(也可以說「正交」),所以理論上它們可以被展開(spanned)為無限多種顏色印象。還記得「向量空間」跟「基底」嗎?我們通常把顏色視為一個三度空間,在螢幕上常用的基底是紅(Red)、綠(Green)跟藍(Blue),也可稱為 RGB 空間,在紙上(印表機裡)常用的基底則是青(Cyan)、洋紅(Magenta)跟黃(Yellow),也稱為 CMY 空間。在影像處理軟體上,會因為方便計算以及精密校正的需求,而出現其他各種因時制宜的不同基底,但是都是三個,因為顏色被我們以三度空間來處理。

市面上常見的數位相機跟攝影機裡邊類似視網膜的感光元件(CCD 或 CMOS),也是學習、配合人類視覺系統的構造而設計的。這些感光元件基本上對於紅外線都是有反應的,然而為了照片或影片的品質,通常在它前面都會加上一片紅外線濾光片,用來把紅外線濾掉。有一些攝影愛好者,為了拍攝紅外線照片,會拆解他們的器材,移除這個濾光片,讓他們的照相機或攝影機可以「看到」紅外線。然而,在黑暗的環境中,通常也不會有紅外線,所以製造廠商就必須在所謂紅外線攝影機的鏡頭四周加裝可以發出紅外線的照明燈,雖然這些照明燈發亮的時候,肉眼是看不見的。然而仔細觀察這些紅外線 LED 照明燈的時候,也會看到微微的暗紅色光,因為這些光波的波長在可見跟不可見的臨界點左右。

既然我們讓機器可以對肉眼看不到的紅外線有感覺(電器信號),下一步當然就是必須把這些電器信號顯像在螢幕上,讓我們可以看見。這個時候,它要以黑白或是彩色的方式來顯像,就端賴工程師的選擇,把不同波長範圍的不可見光染色在螢幕上,當然也可以染色為黑白的明暗程度。

練習 1:既然顏色被我們以三度空間看待,既可以以有限種類的偵測器(三種)記錄下來,也可以在各式各樣的媒體上再現,例如,在彩色印表機上面只需要裝三個墨水匣,印刷廠也只需要疊印三次,那舌頭味覺的味道呢?能不能也用以上的思考方式,理出一個頭緒,甚至於製造出可以記錄味道以及再生一個味道的機器呢?您是否知道,據我們所知,舌頭的味覺是幾度空間嗎?又,以資訊技術發展的情況,您估計在多少年後,瀏覽網頁的時候,螢幕上需要裝幾個「氣味墨水匣」,才可能「播放」出所有鼻子可以聞得到的氣味?

結論(2013-04-25)

總而言之,正如 X 光與收音機廣播的無線電波,紅外線談不上「顏色」,因為我們看不見。除了波長與紅色光相鄰,紅外線與可見的紅光毫無關連,人類的視覺神經細胞沒有反應。有些照相機的電子元件或傳統的底片對紅外線會有感應,所得到的數據,可以轉換為黑白、明暗,或彩色的影像,叫做「假顏色」(pseudo-color)。虛擬的顏色,目的在於便利觀察,染色方法不一。機場監控入境旅客是否發燒的裝置,所拍攝的是人體所發出的遠紅外線,顯示出來的虛擬色彩也是為利於觀察體溫而設想的。X 光片上的色調也是虛擬的,雖然傳統的 X 光片是明暗的灰階影像,在計算機上,還是很容易染成彩色,以利觀察細節。灰階影像上,每一個像素 (pixel, picture element) 是個只有大小、強弱之分的純量 (scalar) 數值,彩色的像素則需要以向量 (vector) 來決定其顏色。


圖說:我們身邊所有的機器,都是可以關掉的。無論是電風扇、電腦、電鍋,只要把電源拔掉,它就停了。但是有一種機器是關不掉的,那就是核能發電廠的核子反應爐。就算停機、不想發電了,燃料總是欲罷不能,還會持續放射巨大能量,稍一不慎,要是冷卻系統失效,它甚至會引發爆炸。2013 年日本福島 (Fukushima) 的核電廠爆炸就是個實例。這就是核廢料的特性。就算「燒完了」,不能發電了,還要持續放出「衰變熱」(decay heat) 幾百年,甚至更久。這些核廢料成為人類文明的燙手山芋,連科技最先進的國家都找不到放心的處置方法。所以,各國的政府往往都偷偷摸摸,背著人民運輸這些核廢料。以上這些圖片是德國運輸核廢料的交通工具,途中總是要引起人民非常劇烈的抗議及阻撓。中間那張 [1] 是一般的可見光照片,左邊 [2] 和右邊 [3] 兩張是遠紅外線(又稱熱線)照片。照片上以顏色來代表溫度,至於顏色跟溫度對應的方式,每個攝影裝置都略有不同。


練習 2:雖然人類的視覺對紅外線毫無反應,但是卻擁有探測紅外線的其它感官!請問這是哪一種感覺?(提示:當你發燒的時候,媽媽常會做什麼動作?)

運用這種知覺,就算沒有遠紅外線攝影機,我們還是畫得出類似以上虛擬色彩的紅外線圖片。每一個人都可以光憑這種感覺器官,就製作出一張人體紅外線「照片」。以下這張圖,就是我自己畫出來的。(我還沒有時間畫 ^^|||,誰幫個忙呀?)



後記 2016-03-07

讓我們再回到標題「紅外線是什麼顏色?」,做個複習。

對於人類而言,因為視覺系統偵測不到紅外線,所以談不到「紅外線的顏色」。但是有些動物,例如蛇,具有紅外線的感覺器官,所以對牠們而言,紅外線具有特殊的「顏色」,至於是什麼顏色,我們不得而知,因為顏色是一種「印象」,我們又不是蛇,我們也不知道那是怎樣的「印象」。有另外一些動物,例如鳥類跟昆蟲,可以看得見紫外光,這是另外一種人類所看不見的光線。

可是我們卻常常看到許多紅外線的照片,以及它們五彩繽紛的顏色,這些顏色都是我們用機器偵測到紅外線之後,人工染色的結果。

練習 3:我們手機上的低階攝影機,其實就可以拍到紅外線,不信就趕快拿起手機跟紅外線遙控器來試試看。先試試看,如果只是用眼睛看的話,能不能看到遙控器所發出的紅外線呢?再試試看,把手機的鏡頭對準遙控器的前端,同時按一按遙控器的各個按鈕,看看手機的螢幕上看到了什麼顏色呢?其實,我們手機上的程式是不會刻意去染色的,因為這些攝影機並不是專門為了拍攝紅外線照片而做的。你是不是已經找到一個很方便的方法,可以用來檢查遙控器還有沒有電、是不是正常運作呢?

紅外線照片染色實例

當我們使用紅外線攝影機拍攝的時候,都會依據實際上的需求,把所接受到的紅外線染成容易分辨、觀察標的物的顏色。例如以下的影片,顯示了各式各樣的紅外線照片,在影片的右邊都有一根「調色尺」,往上溫度比較高,往下溫度底。每張紅外線照片的調色尺都不大一樣。

Thermal Imaging Infrared photography PEOPLE
Clevelandmarko, 2007-03-15
http://www.youtube.com/watch?v=0DzpRkr96tQ

紅外線攝影看見死後的靈魂出竅?

接下來,讓我們來體會一下,在紅外線攝影機下,當我們死掉的時候,身體是如何慢慢地消失,就像以下影片所呈現那樣:

Thermal Imaging Video Of When The Soul Leaves The Body
InfoWarriorTheEnlightenedOne, 2013-04-23
http://www.youtube.com/watch?v=Qx4VaG3rvO8

以上的影片告訴我們,人的身體在死後慢慢地趨近於所在環境的溫度。我們身體的溫度通常高於周遭環境的溫度,死後又是如何塵歸塵、土歸土,回到大自然的溫度。但是,我們的身體真的是永遠都高於周遭環境的溫度嗎?

練習 4:想像一下,在熱帶的沙漠裡,人們在那麼熱的環境下,居然穿那麼多衣服,把自己包得緊緊的,難道那麼不怕熱嗎?要是我們,夏天穿那麼多衣服哪受得了。其實真正的原因是,在那麼熱的環境下,氣溫真的比身體的溫度還要高,所以他們穿那麼多的衣服,不是為了保暖,而是為了「保冷」,不讓外面的熱量進到身體裡面來。那麼,真正的問題來了。以上的影片,如果是在這種環境下所拍攝的,會有什麼不同的結果呢?

紅外線攝影意想不到的居家應用

看見我們平常所看不到的光線,不只是一種很奇妙的體驗,在生活上也有很大的用處。在「黑暗」中的蛇,總不能夠用「可見光」的視覺來捕捉獵物,以維持生計吧。我們剛才把「黑暗」用引號括了起來,因為那對我們而言是黑暗,對牠們來講,卻有充滿光明的一頓大餐的等著牠們。因為獵物的身上會發出紅外線,我們又稱為熱線。再複習一次,我們的身體都會出紅外線,這就是為什麼耳溫槍、紅外線溫度計可以測量得到我們的體溫。

由於工業技術的進步,紅外線攝影機愈來愈厲害,也愈來愈方便攜帶。紅外線攝影機,其實就是很多很多根的耳溫槍排成一個長方形的陣列,每一根都測量到一點的溫度,然後把這許多點集合起來,就成為一張紅外線的照片,照片裡的每一點都對應到一個溫度的數值,然後再把這些溫度分成例如 16 個等級,分別對應一個顏色,就成為一張我們常常看到的紅外線照片,甚至於紅外線的即時影片。

如果我們擁有一台這種紅外線攝影機的話,那麼我們就可以看得到熱水壺、電器開關、使用中的電線等日常用品,都會「發光」喔,甚至於當天花板漏水、牆壁滲水的時候,也都看得出來那個地方會比較冷。如果家裡像歐洲許多家庭那樣,也裝地板暖氣的話,那麼紅外線攝影機也可以拍到管線在地板裡蜿蜒的清晰情景。洗澡的時候,埋在牆壁裡的熱水管,也都能夠看得一清二楚。這可以幫助我們事先就診斷出可能發生問題的電器裝置,即時採取行動,減少意外以及損失。以下的影片可以幫助我們想像紅外線攝影,在日常生活中可能會有哪些用途。

"Anyone else is just looking around!" by 360 Degrees Home and Building Inspections
Mario Kyriacou, 2010-08-29
http://www.youtube.com/watch?v=dW4Em6lsEr0

練習 5:台語有句俗語說:「做醫生驚治嗽,土水師驚抓漏。」意思就是說,當醫生的最怕的是治咳嗽,因為難治,而水泥建築師傅最怕的差事,就是有人請他們來檢查是哪邊漏水,因為這很討厭,討厭的主主要原因,其實就只是因為看不到。幻想一下,你會如何帶著一台紅外線攝影機,成為最受歡迎的抓漏達人!

紅外線攝影可以看見X光所看不見的癌細胞

「看不見」,自古以來也是醫生最主要的障礙,因為既然看不見身體的內部,又如何找到疾病的原因?隨著科技的進步,人類發展出許多看穿人類身體的方式,例如很久以前就發明的 X 光,直到近代各式各樣的斷層攝影(tomography),但是這些方法都或多或少必須要接觸或是入侵身體。這個時候,紅外線攝影(thermography)就突顯出它的優點,它不需要與身體有任何接觸,也不會造成身體任何傷害,而且可以更早偵測到人體發生病變的部位。

許多 X 光所看不見的癌細胞形成過程,在紅外線攝影機下卻一目了然。有一些原因不明的疼痛(unexplained pain),或是各部位的不適,也逃不過紅外線攝影機的法眼。這是因為身體不正常的部位,會具有與其他正常部位不同的溫度。以下的影片雖然是英語發音,但是含有豐富的紅外線診斷圖片,很值得體驗一下。

Medical Thermography Training
Dr. Anthony Piana, 2014-10-06
http://www.youtube.com/watch?v=tVNHZKxK0Us



後記 2016-05-05

遠紅外線或熱感攝影器材以前是非常昂貴的,但是今天已經不再那麼高不可攀,慢慢成為許多人在各個領域應當多加使用的工作利器。例如台灣有水電行業的從業人員「水電俠」(見其臉書 [4])極具洞見,而且眼明手快,成為國內該行業使用熱顯像器材的先驅。我前述的預言與想像,想不到這麼快就在「水電俠」的身上看到實現!


External Links

[1] Nächster Castor-Transport startet Richtung Deutschland, Augsburger Allgemeine, 2011-11-22
     http://www.augsburger-allgemeine.de/wirtschaft/Naechster-Castor-Transport-startet-Richtung-Deutschland-id17630131.html

[2] Temperatur der Castor-Behälter gestiegen, 2010-11-05
     http://www.nordbayern.de/temperatur-der-castor-behalter-gestiegen-1.293913

[3] Strahlender Atommüll in Bild und Ton Mit Thermografie und Geigerzähler
     dokumentiert Greenpeace die Castor-Abfahrt, 2010-11-05
http://www.greenpeace.de/themen/atomkraft/presseerklaerungen/artikel/strahlender_atommuell_in_bild_und_ton/ansicht/bild/

[4] 水電俠, 臉書
     https://www.facebook.com/we0905055657/

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