薩哈林旅行記：契訶夫

庫頁島(中) 俄國稱薩哈林

契訶夫（1860-1904），是俄國短篇小說和劇作家，在文學界享有大名。宅男如我，僅讀過他幾篇短篇小說，觀賞過2014 TIFA華麗夢境－給契訶夫的一封信(連結)，與大師其他作品是八竿子打不著關係。

讀【薩哈林旅行記】是個美麗誤會，因為一直以來都想去庫頁島單車旅行，苦無參考資訊，見到書名就以為是旅行遊記。拿起翻閱後，才發現全書完全和【旅行】無關，但此時已深陷契訶夫書中描繪的世界，再也無法脫離。

進行更多說明前，讓我先將眼光拉回契訶夫生平。根據資料，他十九歲時進入莫斯科大學醫學系，同年底發表第一篇文學作品，學醫同時也始終以文學記者的身分，維持文學創作的習慣。二十四歲取得醫生資格，與此同時創作質量也不斷增加。二十八歲時已經取得非常好的聲名。

三十歲那年的夏天，契訶夫隻身一人，先坐火車，後騎馬、乘船，來到政治犯流放地薩哈林進行實地考察。他形容那理地獄般的慘狀，使他對黑暗的現實有了更進一步的認識，逐漸改變了不問政治的心態，開始著述揭露沙俄專制制度下的內幕。

三十二歲，發表著名的中篇小說【六號病房】，探討重大社會課題。年輕的列寧閱讀後還給了可怕極的評語。三十四歲，報告文學【薩哈林旅行記】出版，此時距當時考察已三年。且自此之後創作有了轉折，進入新的境地。

當時的薩哈林，是個比西伯利亞更遙遠的海外，四周大海環繞，內陸荒涼枯寂，連苦役和流放犯都聞之色變，上帝都會遺棄之地。根據書中描述，契訶夫踏上薩哈林時，並不具有任何官方身分。僅以文人身分，受到當地統治階級認可，用人口普查員或記者角色，觀察訪問當地住民。

沒有更多資料說明，為什麼名聲顯著的社會菁英，會在當時隻身前往邊陲之地？我常常懷疑，若總督不願意讓他四處訪查，他又將要如何進行？這麼多不確定和未知，並沒有阻擋契訶夫親臨此地，見到這與莫斯科完全不同的世界。難道，他聽到什麼遠方的鼓聲？

書中分成兩部分，第一步分是以時間軸，離開西伯利亞最東部阿穆爾河畔尼古拉耶夫斯克開始，搭上運輸船隻抵達薩哈林亞歷山德羅夫斯克，再到南部塔萊伊卡之見聞。以地理課本方式，詳細將薩哈林的開發時程、氣候及土地狀況、各地人口組成。

第二部分則是將見聞重新組合成有系統的章節，介紹苦役犯從業主、流放犯居民的性別組成、居民的年齡結構、流放犯的工作、流放犯的飲食、自由居民、流放犯的道德水平、薩哈林的逃犯、流放居民的患病率和死亡率。

事實上，這真的是本枯燥的書，沒有任何要討人喜歡或是勾起人興致的東西，書中甚至沒有什麼感性的結論和批評。但這無法打破沉默的焦躁和難以忘懷的苦寒，會讓觀者產生巨大壓力，會讓人不自主的對這沒有自由，沒有希望的苦悶之地感到冷漠。對於困苦之地，典型性格小人物的日常生活、下層人民的疾苦，還有人和組織能產生的惡都會有莫名的哀傷與無奈。也因此，契訶夫就這麼被我歸類為和莫言、沈從文等，對貧苦人民帶著深切同情的入世作家。

TeamLab Borderless 科技之於藝術的絕美之光

今年春天日本行，有幸親臨TeamLab在東京台場的新展場Borderless(連結)。諾大展館中，各式光電聲響如潮水般撲面而至，規模之宏大，完全超越自己對數位藝術的認知。而且，細細觀察每件作品，除炫目聲光效果外，也都各有內涵。如此質與量兼具的跨界藝術展覽，既能滿足感官娛樂，對於數位藝術所能達到的工藝技術，展覽方式及內涵，都有全新認識。

個人覺得TeamLab Borderless特色有三，第一特色是"規模宏大"，所謂數大就是美，是對這裡最貼切的說明。和其相比，以往我們接觸的數位藝術多半僅有台投影機、KINECT感測器和PC，這裡大量運用全方位720度影像，將觀者上下四方包覆著，完全是不同數量級的感受。再加上Borderless強調無界的概念，整個空間彼此互相呼應，觀者不論走到哪都維持在相同的設定中。

取自官網，當中或站或坐是活生生的人，而非縮小示意圖

藝術的價值就是在引起觀者共鳴，以往單幅或是小型作品，即使能引起觀者感動，但因為空間的關係，當觀者離開作品範圍時，感動也就跟著散失，非常可惜。在TeamLab超巨型沉浸式(Immersive)空間內，不論走到哪，都受到作品包圍，感動也特別容易延伸與持續。

取自官網

這也是數位藝術與傳統媒材的根本差異，因為其大量應用硬體裝置，且容易拷貝與複製，只要有足夠資本，就能夠大量建置，達到數大就是美的效果。這也是我認為未來數位藝術將不只是單純的創意與美感，會逐漸成為仰賴資本密集的產業。

第二特色是"技術能力"。以本身投入資訊業多年經驗評估，展場內使用的工藝技術，絕對出自是第一流人才之手。

例如【Borderless World 無界】展場中，四處可見超大投影畫面，但我們並不會在畫面交界處看到應有的陰影，不同投影機的畫面間也沒有參差不齊狀況，而且橫跨多畫面的轉場過程也都流暢自然。【Wander through the Crystal World】中成千上萬的LED和【光之雕刻】中高功率投射燈，都需要深厚機電和軟體控制能力。【兒童遊樂】區運用物體辨識功能重新繪出路線，【Black Waves】中每一個海浪線條都是依照水的狀態重新計算和繪製。

要控制這組小型12X12X12的LED 光立方，就很困難，遑論水晶森林 (連結)

事後查詢，赫然發現，TeamLab內多數員工是軟體工程師、機電工程師和數學家，創辦人豬子壽之本身就是東大數學系畢業，難怪工藝技術都如此精湛。要知道，人對於感官的刺激和回饋的敏感度是遠遠超越我們預期。例如搜尋引擎回覆速度差別0.1秒，或是螢幕有些許色偏，或是手機上划動翻頁流暢度有些許變化，都能立刻察覺到其中變化，且有強烈反應。回想你對Google的喜愛不就因為那飛快的回饋嗎？回想你初次見到AMOLED螢幕就回不去的心情？回想你評價手機只是因為些微卡頓或流暢的差異嗎？

以往數位藝術的創作者多為"藝術家"，作品縱然有滿滿的創意和精美畫面，但都讓人覺得單薄，欠缺吸引力，根本原因就是互動技術還不夠成熟。只要參觀過TeamLab的Borderless後，就能瞭解這就是未來藝術與工藝和設計結合最理想的方式。

第三特色是"作品內涵"。作品若僅僅是充滿著聲光特效卻缺乏內涵，和湯姆熊電動遊戲場有何差別呢？TeamLab吸引人之處，就在於其內涵。(參考連結)

作品雖然都呈現滿天花雨的繽紛，但是旋即又會落入寂寥境地，若有似無的傳達出內心深處對生命須臾的哀傷和幽情、以及對人世無常的感慨。許多作品更呈現出，沒有特定目的的漫遊感。認為現代人不論做什麼事情都有強烈的目的性，總是要問價值是什麼。在展場中，Borderless狀態反而有無止境漫遊感。

小結

行前並沒有做什麼功課，跟著朋友引導就這麼進去參觀。原本以為展場是在荒郊野外，到現場才知道展覽場地就位在台場摩天輪旁，附近更有購物和休閒中心，且展場是專門正式建築而非臨時搭建的空間，加上參觀人潮踴躍，覺得TeamLab已經在東京這邊扎根，慢慢會成為休閒活動中，很重要部分。

Borderless由一些「世界」所構成，每個世界都有不同的呈現方式，沒有明確的路線指引，暗暗黑黑的空間，常常會走到迷路，逛美術館就像在探險一樣。

雖然是個沒有實體作品的空間，但TeamLab善於創造光影交織，美輪美奐的沉浸式作品，模糊了科學與藝術之間的邊界，展現著數位藝術最為極致的一面。恰到好處的深度，不會太艱澀但又不至於空洞的表現方式，更符合當代藝術重要的"使命"，在反映當下藝術概況的同時，更要讓人們看見它在未來的發展。推薦每個愛好藝術的人，來此欣賞科技之於藝術的絕美之光。

全像攝影 Holography

全像術（英語：Holography），又稱全像投影、全像3D，是一種記錄被攝物體反射（或透射）光波中全部訊息（振幅、相位）的照相技術。

全像的光源是雷射光，主要是雷射光擁有相同波長特性。各個不同角度的光，碰觸到同一物體後，會重疊或是抵銷，因為波長相同，若振幅相同波峰會相加。同時，第二束被稱為參考光的光線也照射在記錄媒介上，這樣，兩束光發生了干涉。這些都會在感光片上以密度的形式留下痕跡。

用於記錄全像攝影的干涉條紋的感光片必須擁有足夠的解析度，以使干涉條紋可以分辨出來。例如，角度是45°，光波的波長為0.5微米，那麼條文的間距大約是0.7微米，也就是1400線/毫米。也就是說，感測元件必須小於微米，μm（微米）等級。

傳統底片顆粒太大(大於光波長)，並不適合全像攝影。適合全像攝影的底片，除了少見難取得外，定影過程複雜且含毒性都讓人卻步。

近年來，網路販賣Litiholo，內附特殊材料可省去定影動作，讓全像攝影變的簡單可行。(EBAY價格約2619，但不寄送台灣)。DIY的過程(連結)(連結)(連結)(連結)，若真拿到Litiholo，應該可以按圖索驥完成。

右方是雷射光源，中間是物體，左側是感光片，一般來說還會有片鏡子

因為膠片已經記錄所有資訊，如果使用與參考光相同的光線照射膠片，就會在膠片上產生繞射，而繞射的光場和物體散射的光場相同。因此，觀察全像術的相片就會有看到當時拍攝物體的錯覺，儘管物體其實並不在那裡，仿佛物體就在那裡一樣。而且通過不同的方位和角度觀察相片，可以看到被拍攝的物體的不同的角度，因此記錄得到的像可以使人產生立體視覺。

更神奇的是，由於全像術中每個點都包含了原始場景的光線的資訊，從原理上說，整個場景可以通過任意小的一部分全像術膠片上還原出來。為了展示這個概念，可以將全像相片分成若干部分，通過每個部分都可以觀察到整個的物體。很像佛教一沙一世界概念，若再深究，物理中提到的弦理論也是如出一轍，但那是另外領域了。

既然底片能儲存光波訊息，數位相機可以嗎？答案是肯定的，可以參考筆記文章DHM(連結)。

Optical coherence tomography (OCT)

在我有限知識架構中，DHM已是神妙等極。但接下來的OCT，應該就是三界之外的神領域了吧。

OCT是Optical coherence tomography的縮寫，原理是Michelson Interferometer。操作上，是利用近紅外光可穿透人體細胞的特性，以近紅外光為光源，照射身體組織，因為生物組織不同深度層面對入射弱相干光反射不同，掃描後就能得到生物組織二維或三維結構圖(連結)。較容易想像的範例是超音波掃描，差別是超音波的波長較長，影像粗糙，光波因為波長短，能夠達到更精細的畫面。

因為不具侵入性，又達到細胞等級精密度，非常適合表面(皮下一公分內)組織的分析。

視網模

皮膚組織對比

較複雜的是血管造影，從影片(連結)可以看到這是一連串作業。首先心導管將裝置送到正確位置，藉由充氣製作出能讓後續掃描進行的工作區間，然後探頭以螺旋形式掃描整條血管，並即時由後端電腦重建血管3D模型。

-------理論與元件--------

如前述，OCT為一種光學干涉成像技術，與麥克森干涉儀(Michelson Interferometer)類似，組成同樣都是一個光源、一個參考光路、一個量測光路及感測器。光線射出後，被2×2光纖耦合器均分為兩路，一路是經透鏡準直並從平面反射鏡返回的參考光，另一路是經透鏡聚焦到被測樣品的採樣光束。兩者之間的光程差在光源相干長度之內時則發生干涉，探測器輸出信號反映介質的後向散射強度。由反射鏡返回的參考光與被測樣品的後向散射光在探測器上匯合，當兩者之間的光程差在光源相干長度之內時則發生干涉，探測器輸出信號反映介質的後向散射強度。介紹連結

光源特性上，因為利用了干涉現象。如果光源的同調長度愈長，代表干涉時兩道光束的光程差可以相差很大也會有干涉現象，反之如果光源的同調長度很短的話，那只有在兩道光束幾乎沒光程差的情況下才會形成干涉。而OCT是要觀測非常短距離的干涉，所以要盡量避免光程差很大還會造成干涉的現象，所以必須使用低同調，才會有好的空間解析能力。

而光源的同調長度和光源的頻寬成反比，所以頻寬越寬的光源其同調長度越短。這裡所謂的頻寬Δλ(spectral width)是指光束所含蓋電磁波的頻譜。

對於窄帶光源，如圖a所示，由於其相干長度很長，在相當大的光程差範圍內都能輸出干涉條紋變化。這樣的干涉條紋對比度與兩臂的光程差變化幾乎無關，無法確定零級條紋的位置，則無法找到等光程點，失去了精確定位的功能。而對於寬帶光源而言，如圖b所示，只有當兩臂的光程差在這個很短的相干長度之內時，探測器才能檢測到干涉條紋的對比度變化。而且，在對比度最大的地方對應着等光程點，隨着光程差的增加，對比度迅速銳減，因此具有很好的層析定位精度。於是可移動參考臂的反射掃描鏡，來尋找變化後的平衡點，通過測量反射掃描鏡的變化前後的位移即可測得相應的光纖傳感器長度的變化。

SLD資料(連結)。

另外在波長部分，考慮人體吸收比率最低的波段，700~1500是最適合的波段。

分光機制

原本以為會類似光學實驗室的支架和反射鏡。

連結位置

觀察商品化成品，似乎以下圖小型棒狀線路為多。

2×2光纖耦合器  連結位置

-------OCT分類 依參考光路區分--------

參考光路的設計方式，決定了OCT的基本設計差異，早期OCT多為時域OCT(Time Domain OCT，TD-OCT)。後期則是開發出頻域OCT(Fourier Domain OCT， FD-OCT)。

時域 OCT 採集的是隨參考臂光程變化的強度信號，它的每一個縱向掃描時間都等於參考臂光程變化一個周期的時間。

時域OCT的特點是，藉由參考臂移動反射鏡位置，對樣本的連續掃描時，可以量測到一連串的干涉波包，這些波包代表樣本在不同深度的介面之背向散射光的干涉結果，根據和相應的干涉信號強度即町獲得樣品不同深度(z方向)的測量數據，可以得到待測樣本斷層結構的厚度資訊。

由於光源為低相干寬帶光源，故其相干長度極短。而只有當參考臂和測量臂光程差在光源的一個相干長度之內時，背向散射光和參考光才會產生干涉，且當光程差接近零時才具有最大相干強度。因此，隨着參考鏡的軸向移動，可選擇樣品中與之光程相等的層來進行成像，而其他層的信息將被濾掉，從而實現了層析成像。

一個簡單組織的一次縱向掃描的結果。此樣品組織由兩層構成，折射率分別為n1和n2，與空氣的折射率 n 不同。樣品臂中，在兩種不同折射率介質的交界面處會發生反射。當參考臂的反射鏡掃描時，探測器的輸出端可以看到兩個干涉信號。其中第一個干涉信號對應着空氣與組織層1的交界面，第二個干涉信號對應着組織層1與組織層2的交界面。在載波頻率處解調，就可以得到原始的干涉信號的光強。通過沿樣品表面 X 方向和 Y 方向移動樣品臂可以獲得樣品的三維圖像。

時域機器架構圖

時域的延伸應用是FULL FIELD，主要差別是時域一次只看一個點，FF OCT一次會拍攝整個區域的照片，由數位相機拍攝回傳影像。

頻域 OCT 的參考臂無需掃描，它一次性地採集某一橫向位置的深度方向的干涉光譜信號，也就是頻域信號。深度方向的時域信號就編碼在這個光譜里。每一個縱向掃描實際就對應一個干涉光譜，對光譜做傅里葉變換即可恢復出時域信號。頻域 OCT 省去了傳統時域 OCT 當中深度掃描的時間，極大提高了成像採集速度。頻域 OCT 在近年來漸漸取代了時域 OCT，其重要原因在於其無需在參考臂中進行光程掃描，直接一次性獲取縱向掃描。如此，頻域OCT 系統的成像速度將得到極大提高。

頻域OCT又可區分為兩類。獲得干涉光譜目前主要有兩種方法。第一種是基於光譜儀，稱之為光譜頻域 OCT(SD-OCT)。機器架構如下。

SD OCT

SD OCT

分光部分包括光柵欄將光譜隔開(不知道是用點還是線，反射回的點光源如何分光呢)，再投射到line camera，進行光譜分析。光柵欄，可能來源 (連結) (連結) (連結)。

單點光譜分析 連結

另一種是基於掃頻光源，稱之為掃頻 OCT(SS-OCT)。SD-OCT是在最後階段，將光線通過光柵分光，分析不同波長的強弱，減少移動參考臂的動作，SS-OCT不然，它是在前端就產生不同波長雷射光，最後直接將光訊號轉變成電訊號，同樣不需要移動參考臂，也少了光柵的動作，優點是處理速度快，要考慮的是掃頻雷射價格非常高的問題。

SS OCT

頻域OCT的掃描方式
採樣光束在x-y平面內的掃描，一次處理一個點，逐步移動掃瞄點的位置，全部組合成一個完整的圖，可獲得樣品的三維結構信息。

類似MEMS的微機電 可控制鏡面角度 售價驚人

MICROVISION類似物品 連結

-------成品--------

OCT廠商至少四五十家，下面是比較特別。
非臨床，提供各式零件可自組，THORLABS，連結。還有這裡。網路論文詳細介紹其如何製作低成本OCT(連結)，零件甚至還提到液態鏡片??
非臨床，提供服務形式，LUMEDICA，連結
臨床，台灣公司，連結
臨床，工研院皮膚掃描，連結，連結

Digital Holographic Microscopy (DHM)

以往只要談到影像處理，必定要經過鏡頭取像，這觀念已經根深蒂固，沒有光學鏡頭要怎麼成像呢，只覺得震驚與不可思議，所以初次聽到DHM(Digital Holographic Microscopy)概念時，直覺是騙人的玩意。

但在接觸微流體(連結)的過程中，類似系統需要有效的對通道中細小物體的進行計數和觀察(連結 連結)。光學顯微鏡的確可以清楚辨識物體，但受限於視野大小，僅能觀察小範圍內畫面，若是通道較寬或觀察面積大，就要尋求另外方案，無鏡頭拍攝lensless概念應運而生。

DHM直接讓光線穿越觀測物體，讓投影光線直接照射在感光元件上，與光學顯微鏡不同，DHM是記錄物體的全息資訊，電腦僅是重建相位和振幅(光強)訊息，所以原始畫面多半模糊不清(下圖)，只要經過提取，就能還原出清晰的原始畫面(下下圖)。 連結

詳細資料如論文(連結  連結  連結 連結 中文博碩士 )，詳細說明如何以低成本重建實驗。

一、光源
論文的光源是穿透力較強的紫光LED，波長470nm。架構上，平行光最佳，實際上使用的是點光源，也能避免繞射。

點光源可由PINHOLE產生，是光電實驗不可或缺的工具。台灣廠商沒人理我，掏寶5µm°單價450/台幣，價格實惠 (連結  連結)。

二、觀測物
除了真正微流體物品，可以觀測普通顯微切片，或是標準玻璃測試片。

三、感光元件
實驗時，可以手邊就有的OV7670為主，移除透鏡模組直接拍攝。另外，目前感光元件上，配合BAYER PATTERN，都鋪有一層color filter。既然DHM是同波長光源(藍)，目前架構無形中浪費四分之三感光面積，若能移除(連結)或取得無filter應會有更好表現。


四、影像分析
DHM的原理是光的全像計算，某種程度來說，電腦僅是扮演光學顯微鏡的成像透鏡。但因為僅要分辨出物體的平面輪廓，只要刻意拉近物體和觀測面的距離，就能大幅減少散射帶來的影響。

DHM同樣也有參考光

兩種計算程式，都包含GPU模式。

第一是C版本，CWO++，連結。結論軟體說明，Diffraction calculations, such as the angular spectrum method and Fresnel diffractions, are used for calculating scalar light propagation. The calculations are used in wide-ranging optics fields: for example, Computer Generated Holograms （CGHs）, digital holography, diffractive optical elements, microscopy, image encryption and decryption, three-dimensional analysis for optical devices and so on.

第二是JAVA版本稱JDiffraction，連結。wave propagation library Includes angular spectrum, Fresnel-Fourier and Fresnel-Bluestein methods.

五、其他考慮項目。
如前面三個元件彼此距離如何分配。以及實際微流體應用時，因為影像是由平面投影而來，同一物體在通道的高點和低點，投影結果就有很大不同。

上述DHM強調近距離影像的重現，若考慮更大範圍的全像資訊，可以參考2012年左右論文(連結)，文章介紹(連結) Losing the Lens   連結

2017年DiffuserCam專案(連結 藉RASPIBERRY PI蒐集影像資訊，再經由PC處理，近距離可拍攝出立體照片，遠距離也有清楚平面畫面)。連結  連結  連結 連結

computational-imaging   opticalCNN  連結

近距離的物體，會有立體效果

另外分支為PinHole方式，擴大PinHole成為MASK，如flatcam、flatscope(連結、連結  連結)，最近更看利用機器學習專案，Towards Photorealistic Reconstruction of Highly Multiplexed Lensless Images (連結)。交大光電所 107 林冠宇 無透鏡。 連結

flatnet 連結 連結

COMHTVM/lensless  連結  python學生作業，Optimizing phase mask for a lensless imaging system

CSIPlab/flatcamRBG-D 連結  matlab : code and data for paper Joint Image and Depth Estimation with Mask-Based Lensless Cameras

CSIPlab/Programmable3Dcam   連結  matlab  Repository for "A Simple Framework for 3D Lensless Imaging with Programmable Masks," ICCV 2021  連結 

PhlatCam: Designed Phase-Mask Based Thin Lensless ...連結

文章  Learned reconstructions for practical mask-based lensless imaging

文章  Lensless cameras using a mask based on almost perfect sequence through deep learning

由於自身知識不足，即使閱讀了技術文件( 如无透镜片上显微成像技术院理论尧发展与应用 連結)，编码摄像(連結)，也是懵懵懂懂，但能因此拓展自己光學相關知識的邊界，就覺得開心。