透明胶带相机和树莓派设置的照片(左);用手电筒对着相机拍照(中间)所获得的图像;透明胶带相机拍摄的一只被照亮的手的重建图(右)。
作为加州理工学院的一员，凯蒂·布曼(Katie Bouman)在她的第一堂课上想帮助她的学生们释放计算相机的力量。这# x27;因为Bouman,计算和数学科学助理教授和电气工程和罗森博格学者专家在理解和使用数学计算和以新的方式"see"宇宙,就是明证工作作为视界团队的一员,曾经这样一个相机捕捉在2019年一个黑洞的第一形象。
因此，布曼创建了CS 101，这门计算机科学课程，她知道，这门课程可以让她的学生更深入地了解硬件和软件如何协同工作，从而改变我们看待世界的方式。但在前几周的学生可以收集他们的第一课,Bouman和她的助教,梅森麦吉尔和布兰登·霍洛韦(b & # x27; 20),突然发现自己在一个位置的主由于冠状病毒大流行,重新思考课程# x27;年代课程为了给他们的28个学生相同的实践经验,然而身体远程。
为了实现这一目标，鲍曼、麦吉尔和霍洛威知道，他们的最佳选择是为每个学生提供他们自己的树莓派(Raspberry Pi)，这是一台可以安装摄像头的简单的开源电脑。接下来是教育创新基金(Innovation in Education Fund)，这是加州理工学院教学、学习和拓展中心(Caltech Center for Teaching, Learning, and Outreach)发起的一项倡议，它支持创造性的教学方法，并提供所需的资金。
有了树莓派和他们的相机，学生们已经准备好应对他们的第一个挑战:创建高动态范围(HDR)图像。这是许多智能手机做的事情，你可能已经注意到在你的照片底部的小字HDR。这意味着你的手机将多次曝光的元素组合在一起，生成了一张图像。例如，如果对焦一个人的脸意味着背景的天空会被吹灭，手机可以将一次曝光的天空和另一次曝光的照片的其余部分结合起来。
HDR是硬件和软件如何协同工作以创建超越传统相机和镜头所能看到的图像的一个例子。Bouman让她的学生们用不同的属性拍摄多个图像，然后用软件将它们合并。计算摄影就是同时修改软件和硬件之间的相互作用，她说。
在另一项作业中，她的学生用相机捕捉光场。传统的相机只捕捉入射光的强度来创建一个二维图像，而光场相机也捕捉所有光线来自的方向——所谓的"光场。因为图像包含了所有这些信息，所以即使在拍摄之后，图像也可以在不同的深度重新聚焦。
期末作业要求学生以非传统的方式捕捉图像。在bouman的祝福下，学生们拆开了他们的树莓派相机，取下了镜头，用一张双面透明胶带代替。光线通过胶带照射出的图像看起来像噪音，但学生可以使用数学来揭示照片的主题。
图像的实际主体(左);透明胶带相机真实记录的内容(中间);软件能够重建什么(右)来源:凯蒂·布曼图像灯箱
图像的实际主体(左);透明胶带相机真实记录的内容(中间);软件能够重建什么(右)来源:凯蒂·布曼下载完整的图片这样做的目的是为了了解镜片只是一种看东西的方式。几个世纪以来，科学家们一直用镜片来研究天文和微观物体。这就是为什么科学家们正在转向成像技术，而不仅仅是制造更大的镜片，Bouman说。从天文学到生物学，无透镜相机可以用于无法使用标准镜头的地方捕捉图像。"你必须创造性地思考如何打破相机收集和记录光线的传统模式;我们可以用计算来填补知识的空白，" Bouman说。
bouman的学生在这个春季的课程中正是这样做的，因为他们在期末项目中将影像课程应用到他们的研究领域。在克莱尔·布思·卢斯的神经科学助理教授伊丽莎白·洪的实验室里，研究生胡悦正在研究果蝇的嗅觉系统成像和人类的嗅觉模型。洪实验室的研究人员对果蝇大脑中负责嗅觉和记忆的部分神经元进行了显微镜下的视频记录。"提取神经元;" Hu说:“为了调查神经元的活动，我们必须在整个录像过程中跟踪每个神经元的轮廓，这是很困难的，因为在录像中看到的运动。”她使用从bouman的a类可控制技术——金字塔图像分解和对信号处理的理解来解决这个问题。
小艾琳·克罗威尔研究了" – sea – thru"算法，该算法的目的是拍摄水下图像，并校正其颜色，使其与在空气中看到的图像相同。这些工作对于游泳机器人来说是至关重要的，加利福尼亚理工学院机器人团队的软件领导克罗维尔说，"我们一直在努力解决处理潜水艇捕获的水下照片以提取有用信息的问题。在bouman的"课程中，她成功地让一个原型算法工作，并计划继续开发它。
这对我来说是一次很棒的经历，因为我能够应用我们在课堂上学到的图像处理技术，包括色彩空间、深度信息和过滤技术，并将它们应用到我个人感兴趣的项目中，" Crowell说。卡提强调教我们图像形成的物理基础，这真是得心应手
在教学、学习和推广中心(CTLO)和学术媒体技术的帮助下，这是关于在COVID-19大流行期间加州理工学院采用创新方法进行远程教学的系列文章的一部分。
" CTLO主任Cassandra Horii说:“加州理工学院的教师、教师、助教和学生在调整我们独特的教育经验以适应在线格式时，表现出了极大的灵活性。”"这一突然的转变让我们了解到其中的挑战，从技术到如何进行口头和视觉互动，再到跨时区调整时间表。最终，完善这些方法只会增加我们的选择和灵活性。"加州理工学院在2020年春季学期提供了将近400门在线课程，汇集了大约250名教师、340名助教和1400多名在线学生。
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://www.caltech.edu/about/news/katie-bouman-cs-101-remote-learning