電視之類的影像是透過連續不斷地顯示靜態影像從而讓其看起來流暢變化。每秒顯示的影像通常爲30幀或者60幀左右，這是根據人眼的能力而設定的。如果以比這遠遠快得多的速度來捕捉生活中的現象，那麼又會是怎樣的一番景象呢？東京大學研究生院資訊理工學系研究科的石川正俊教授實施了以每秒1000幀的速度來拍攝和處理影像的機械眼「高速視覺」，並探索由此帶來的各種新的可能。JST ACCEL專案經理岸則政與石川教授正在合作構建高速視覺平台，並以其開創新的價值。
以高速視覺來捕捉世界
培育並推廣新的價值之芽
拍攝或播放影片時，表示每秒顯示的影像張數稱爲幀速率（fps）。就人眼而言，以30fps左右的幀速率顯示的動作看起來是流暢的，實施高畫質影像的8K影像規格中除了30fps和60fps外，還配備了120fps的規格。「高速視覺」則是利用機械眼能以遠遠高於這個規格的速率來動作繼而使得1000fps成爲了可能。
東京大學研究生院資訊理工學系研究科石川正俊教授介紹說：「以1000fps的速率捕捉影像，能獲得高速行程物體的更爲完整的資訊」。例如，如果以30fps的速率來拍攝時速150公里的球，只能每隔140cm左右捕捉到一次球的影像，而140cm之間球的行程只能依靠推算（圖1）。但若是以1000fps來拍攝的話，則每隔約4cm就能捕捉到一次球的行程影像，故而能夠更加準確地掌握球的實際運動軌跡。由於無需推算，還可以縮短處理時間，能實施很多以前無法實施的事。
■圖1：以30fps拍攝時速爲150公里的球時，拍攝隔膜約爲140cm。而如果是1000fps，則能以約4cm的隔膜獲得球的動作軌跡。以30fps拍攝時，在140cm之間發生了什麼需要靠推測，但1000fps的話則可以獲得球的實際運動軌跡，無需透過複雜的計算推測。
石川教授接着說：「高速視覺不僅僅是高速拍攝技術。從拍攝到影像處理，再到回饋給機器人的動作等只需要幾毫秒的時間」。透過分別在1毫秒内驅動以相機爲首的感知系統/識別系統（感測器技術）和處理系統（電腦技術），以及馬達等爲首的運動系統和動作系統（驅動器技術），進而實施能即時適應現實世界變化的全新智慧系統。
石川教授強調說，高速視覺研究「不同於傳統的科學研究手法」。傳統的科學研究往往是爲了解決某個課題而進行調查研究，然後開發出相應的技術。與此不同，高速視覺的研究則並沒有明確的待解決具體課題，而是立足於高速視覺，探索以前從未想到過的各種可能，從而創造出新的價值。石川教授充滿期望地表示：「我們搭建高速視覺平台，並向社會推出以此爲基礎而實施的智慧系統。其價值如同巨浪，會波及到很多領域。我們希望籍此建立起一個嶄新的世界」。
從自動駕駛到牆面檢查
多領域磨練技術
在汽車影像處理應用方面擁有多年經驗的ACCEL專案經理岸則政介紹了高速視覺技術比較容易理解的應用案例之一：自動駕駛。他說「例如，自動剎車技術是透過觀測汽車周圍的物體並預測其接下來行程而工作的，因此對於突然闖入的物體，自動剎車有時無法及時反應。而高速視覺則能以1毫秒的週期來分析和判斷周圍的情況，並且能瞬間控制剎車動作」。除此之外，高速視覺專案瞄準的應用範圍還包括生物·醫療/檢測與工廠自動化（FA）、高速人機交互、交通、高速掃描存檔及公共安全等衆多領域（圖2）。
■圖2：高速視覺的應用領域。高速視覺的基礎技術（平台）可應用於衆多領域。
岸則政介紹說：「高速視覺專案的目的是透過新技術給人以啓迪。爲此，透過介紹新技術的具體應用可能，讓更多的人思考如何使用這一新技術至關重要。我們的戰略不是設想某一個用途然後去精益求精，而是要進入很多不同的領域，並不斷提高這些領域所需要的相關技術」。以這個戰略爲基礎，專案組開發出了追蹤球等動態物體並使其始終位於畫面中心的拍攝技術，以及在行程或伸縮的物體上顯示影像的動態投影等的多項技術（圖3、4）。
■圖3：高速追蹤技術。可以自動追蹤高速行程的桌球的運動並拍攝，能清楚觀察到球的旋轉。對影像進行解析，透過高速驅動反射鏡片而使得球始終位於影像中心。
■圖4：動態投影技術。能夠配合人的動作，在其所穿的T恤正面投射影像。能檢測到布料的伸縮狀態，並瞬間調整所要投影的影像。
在隧道中邊行駛邊檢查牆壁（圖5）是備受期待的應用技術之一。目前專案組以實際應用爲目標正與中日本高速道路公司共同推進相關實驗。以往實施隧道安全檢查時要事先封鎖公路，現在利用高速視覺技術，只要讓配備了相機的檢查車輛以正常速度行駛就可邊行走邊拍攝，並且能高精度地檢測出隧道内是否出現裂痕等情況。從時速100公里的車上拍攝隧道牆壁，即使以1000fps拍攝，每兩幀之間也會隔膜約3釐米。爲此，透過高速驅動反射鏡片，使透過的位置始終處於畫面中央，從而消除行程所帶來的影響，拍出不模糊的影像。
■圖5：在時速100公里行駛的同時能檢測出隧道内寬僅爲0.2毫米的裂紋。透過高速驅動反射鏡持續捕捉物件，能抑制車輛行程所造成的畫面模糊。有望消除擁堵、提高檢查頻率和作業效率等。
這是一項劃時代的檢測技術，可以避免因侷限交通而引起的交通擁堵等，還能降低成本，有望增加檢測頻度。要想實施該技術，不僅是高速影像處理，還需要實施產品的小型化以便配備到車輛上，而且需要在低照度下進行拍照，以免妨礙到隧道内其他車輛的行駛。包括這些周邊技術在内，目前正在全面推進，穩步走向實用化。（未完待續）
原文：JSTnews 2019年11月號
翻譯·編輯：JST客觀日本編輯部
