تماشای کنج دیوار با الگوریتم و دوربینی ساده امکان‌پذیر می‌شود

پژوهشی مقدماتی نشان داده چگونه ممکن است روزی فقط با استفاده از برنامه‌ای در گوشی هوشمند بتوان کنج دیوار را بدون استفاده از آینه دید.

در دهه‌های گذشته، پژوهشگران نورشناسی نشان داده‌اند آینه‌ها برای دیدن اشیای خارج از محدوده‌ی دید ما ضروری نیستند. این موفقیت به لیزرهای عجیب‌وغریب برای شلیک پالس‌هایی با مدت زمانی کمتر از یک تریلیون ثانیه و حسگرهایی با کارایی فراوان نیاز دارد که می‌تواند تک فوتون را تشخیص دهد. در‌حال‌حاضر، گروهی از پژوهشگران در دانشگاه بوستون نشان دادند با استفاده از الگوریتم کامپیوتری و دوربین دیجیتال معمولی نیز می‌توان کنج دیوارها را بدون استفاده از آینه‌ دید و این روش به تجهیزات پیچیده و گران‌قیمت نیازی ندارد.

پریسکوپ‌ها و آینه‌ها دیدن دقیق کنج دیوار را آسان کردند؛ ولی وضوح تصویری که آن‌ها ارائه می‌دهند، با خطر همراه است. آینه‌ها و پریسکوپ‌ها باید در محدوده‌ی دید آنچه مشاهده می‌کنند، قرار بگیرند. این موضوع باعث می‌شود آن‌ها به‌آسانی مشاهده‌کردنی باشند و حتی به‌آسانی نابود شوند. ناظران پنهان ترجیح می‌دهند در خارج از محدوده‌ی دید و با استخراج اطلاعات از منابع غیرآشکاری مانند نور منعکس‌شده از سطح مات دیوارهای رنگی کار کنند.

اشعه‌های نور سطوح فلزی نقره‌ای مانند آینه‌ها را با همان زاویه‌ی تابش هنگام ورود ترک می‌کنند؛ همان‌طورکه اگر آن‌ها توپ‌های کوچکی بودند سطحی را ترک می‌کردند که در ابعاد اتمی بسیار صاف است. سطوح مات‌ مانند دیوارهای رنگ‌شده و تابلو‌های پوستر سفید در چشممان صاف به‌نظر می‌آیند؛ ولی در مقیاس اتمی ناهموار هستند. بنابراین، آن‌ها باعث پراکندگی نور در طیف وسیعی از زوایای مختلف به‌جای جهت یکنواخت می‌شوند. ازاین‌رو، سطح مات نورهایی را پراکنده و به‌هم ریخته می‌کند که از جهات مختلف می‌آیند و درنتیجه، چشم ما نمی‌تواند تشخیص دهد این نور از کجا آمده است.

در سال ۲۰۰۹، رامش راسکار، سرپرست گروه پژوهشی فرهنگی دوربین آزمایشگاه رسانه‌ای دانشگاه MIT و همکارانش زمان رفت‌وبرگشت پالس‌های لیزر کوتاه‌مدت را اندازه گرفتند که به سطحی ناشناخته تابیده شده بودند. ازآن‌پس، گروه راسکار و دیگران این مشاهده‌های «زمان پرواز» مانند ماکروویو و پالس رادیویی اُپتیک را بسیار ارتقا دادند که فاصله را با استفاده از شمارش زمان رفت‌وبرگشت نور به مقصد اندازه می‌گیرد.

در جست‌وجوی روشی ساده‌تر، ویوک گویال، مهندس برق و کامپیوتر و همکارانش در دانشگاه بوستون مشکل دیدن گوشه‌ها را با درنظرگرفتن نور به‌عنوان اشعه‌ای تجزیه‌وتحلیل کردند که خطوط صاف بین سطوح را دنبال می‌کند. این، روشی است که در طراحی اُپتیک‌ها به‌کار می‌رود. آن‌ها مسیر اشعه‌های نور برآمده از شیئی را دنبال کردند که در یک طرف یک دیوار با پرش از یک سطح مات و ورود به یک دوربین در طرف دیگر دیوار به یک گوشه می‌روند. بدین‌ترتیب، دوربین فقط سطح مات را می‌بیند؛ زیرا این سطح نور را پراکنده می‌کند.

بااین‌حال، آن‌ها دریافتند قراردادن سطحی مات به‌نام «مسدودکننده» (Occluder) بین شیء مخفی (صفحه‌نمایش روشنی که تصاویر را نشان می‌دهد) و سطح مات، تصویر را تغییر می‌دهد. مسدودکننده سایه‌هایی ایجاد می‌کند که از رسیدن نور از قسمت‌هایی از صفحه‌نمایش به قسمت‌هایی از سطح مات جلوگیری می‌کند. تأثیر این کار مانند ماه‌گرفتگی جزئی است که زمین مانع رسیدن اشعه‌های نور خورشید به قسمت‌هایی از ماه می‌شود.

با دنبال‌کردن اشعه‌های نور از گوشه‌های سایه‌ها گروه گویال توانستند با کشیدن نقشه‌ای بفهمند چه قسمت‎‌هایی از صفحه‌نمایش چه قسمت‌هایی از سطح مات را روشن می‌کند. سپس، الگوریتمی ایجاد کردند که به‌صورت وارونه از تصاویر سطحی مات کار می‌کند که دوربین دیجیتال به‌منظور ایجاد الگوی نشان‌داده‌شده روی صفحه‌نمایش ضبط کرده‌اند.

دیدن گوشه‌ها

این آزمایش زمانی انجام شد که مانیتور LCD تصاویری را پخش می‌کرد. نور آمده از تصویر بر پشت شیء جامد مسدودکننده می‌تابد. این شیء مسدودکننده برخی از نورها را مسدود می‌کرد و به سایر آن‌ها اجازه می‌داد به‌عنوان سایه‌ای به اطراف آن بروند که دیوار تصویری را با سطحی مات روشن می‌کند. نور تابیده‌شده به دیوار صحنه‌ی اصلی را بازسازی نمی‌کرد؛ ولی دوربین دیجیتال این طرح را ضبط کرد و سپس، الگوریتم کامپیوتری با موفقیت آن‌ را بازیابی کرد.

گویال دراین‌باره گفت:

داشتن مسدودکننده‌ی مات در صحنه باعث انجام این کار شد.

طبق گفته‌ی گروه گویال در ۲۴ژانویه در مجله‌ی Nature، برای آزمایش این ایده آن‌ها تبلتی با دوربین دیجیتالی ۴ مگاپیکسلی ساختند که رو‌به‌روی سطحی مات که در یک طرف، یک دیوار داخلی با یک مسدودکننده قرار گرفته بود و در سمت دیگر این دیوار، نمایشگر دیجیتالی وجود داشت. با استفاده از تصاویر گرفته‌شده‌ی دوربین از سطح مات و اجرای آن به‌وسیله‌ی الگوریتم، تصاویر نشان‌داده‌شده روی صفحه‌نمایش بازسازی شدند. تصاویر به‌دست‌آمده از پریسکوپ محاسباتی کامل نیستند. بااین‌حال، گویال گفت:

هرگز فکر نمی‌کردیم این روش ممکن است به این خوبی کار کند. به‌طور مفهومی، این روش می‌تواند برنامه‌ای در گوشی‌های هوشمند باشد. 

اصول این روش ساده و به‌طور گسترده‌ای اجراشدنی است؛ ولی گویال گفت:

 نوشتن چنین برنامه‌ای برای گوشی‌های هوشمند به‌طور درخورتوجهی پیچیده خواهد بود؛ زیرا این برنامه باید با محیطی وقف داده شود که در آن استفاده می‌شود.

درمعرض دیدبودن آینه‌ها استفاده از آن‌ها را برای دیدن کنج دیوارها با محدودیت همراه کرده است

راسکار به این موضوع بی‌علاقه بود. او این کار را شبیه به کار هم‌زمانی دانست که روی سیستم‌های زمان‌بندی پرواز فوق سریع انجام می‌شد. وی گفت نیاز سیستم محاسباتی برای تخمین شکل و مکان مسدودکننده قبل از استفاده از آن ممکن است در سناریویی واقعی مانند مشاهد‌ه‌های مخفی مشکل‌ساز باشد.

بااین‌حال، مارتین لارنزیس، مهندس اُپتیک مؤسسه‌ی پژوهشی آلمان‌فرانسه که در این پروژه دخیل نبود، بیشتر درباره‌ی این پروژه خوش‌بین بود. او گفت:

اصول اولیه و اساسی این روش بسیار هوشمندانه است. باتوجه‌به اینکه دوربین سوراخ‌سوزنی تصاویر را با مسدودکردن بیشتر نور ایجاد می‎‌کند، سیستم گویال فقط تعداد کمی از اشعه‌ها را مسدود می‌کند.

او ادامه داد:

هدف هر دو روش آشکارسازی تصاویر اطراف کنج دیوار و گسترش محدوده‌ی دریافت حسگرهای نوری است؛ ولی او به دو هدف برای دو برنامه‌ی کاملا متفاوت فکر می‌کند.

گویال گفت هرگز این دو روش را به‌صورت نظام‌مند باهم مقایسه نکرده است؛ زیرا آن‌ها کاملا در آنچه انجام ‌می‌دهند و آنچه در تلاش برای رسیدن به آن هستند، متفاوت‌اند. به‌اعتقاد وی، ترکیب این دو روش می‌تواند نتایج جالبی ایجاد کند و مشتاقانه به‌دنبال آن است.

آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته‌ی دفاعی (The Defense Advanced Research Projects Agency) از بسیاری از پژوهش‌ها به امید ایجاد انواع جدیدی از روش‌های جمع‌آوری اطلاعات نوری پشتیبانی می‌کند. بااین‌حال، این زمینه هنوز نوپا و جدید است. لارنزیس دراین‌باره گفت:

حتی با گذشت یک دهه از تصویربرداری زمان پرواز خارج از محدوده دید، هنوز در اول راه هستیم.

از سراسر وب

  دیدگاه
کاراکتر باقی مانده

بیشتر بخوانید