الرؤية الليلية: يمكن لكاميرا عين القطة الرؤية من خلال التمويه
هل تحركت تلك الصخرة أم أنها سنجاب يعبر الطريق؟ يعد تتبع الأشياء التي تشبه إلى حد كبير محيطها مشكلة كبيرة للعديد من أنظمة الرؤية المستقلة. يمكن لخوارزميات الذكاء الاصطناعي أن تحل مشكلة التمويه هذه، لكنها تستغرق وقتًا وقدرة حاسوبية. توفر الكاميرا الجديدة التي صممها باحثون في كوريا الجنوبية حلاً أسرع. الكاميرا مستوحاة من عيون القطة، باستخدام تعديلين يسمحان لها بتمييز الأشياء من خلفيتها، حتى في الليل.
يقول: “في المستقبل… ستتطلب مجموعة متنوعة من الروبوتات الذكية تطوير أنظمة الرؤية الأكثر ملاءمة لمهامها البصرية المحددة”. يونغ مين سونغ، أستاذ الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر في معهد غوانغجو للعلوم والتكنولوجيا وأحد مصممي الكاميرا. وقد ركزت أبحاث سونج الأخيرة على استخدام عيون الحيوانات “المكيفة بشكل مثالي” لتعزيز أجهزة الكاميرا، مما يسمح بكاميرات متخصصة لمختلف الوظائف. على سبيل المثال، تتمتع عيون الأسماك بمجال رؤية أوسع نتيجة لشبكية العين المنحنية. ويقول إن القطط قد تكون شائعة ومن السهل التغاضي عنها، لكن عيونها توفر في الواقع الكثير من الإلهام.
قامت هذه الكاميرا الخاصة بنسخ تعديلين من عيون القطط: بؤبؤ العين العمودي والبنية العاكسة خلف شبكية العين. مجتمعة، سمحت هذه الميزات للكاميرا بأن تكون أكثر دقة بنسبة 10% في التمييز بين الأشياء المموهة من خلفياتها وأكثر كفاءة بنسبة 52% في امتصاص الضوء الوارد.
استخدام الحدقة العمودية لتضييق التركيز
في حين أن الكاميرات التقليدية يمكنها رؤية مقدمة وخلفية الصورة بوضوح، فإن حدقة العين المشقوقة لدى القطة تركز مباشرة على الهدف، مما يمنعه من الاندماج مع محيطه. كيم وآخرون / التقدم العلمي
في أنظمة الكاميرا التقليدية، عندما يكون هناك ضوء كافٍ، تكون الفتحة – وهي نسخة الكاميرا من التلميذ – صغيرة ودائرية. تسمح هذه البنية بعمق كبير للمجال (المسافة بين أقرب وأبعد كائنات في التركيز)، مما يسمح برؤية المقدمة والخلفية بوضوح. على النقيض من ذلك، تضيق عيون القطط إلى حدقة عمودية خلال النهار. يؤدي هذا إلى تحويل التركيز إلى الهدف، وتمييزه بشكل أكثر وضوحًا عن الخلفية.
قام الباحثون بطباعة شق رأسي ثلاثي الأبعاد لاستخدامه كفتحة للكاميرا الخاصة بهم. لقد اختبروا الشق الرأسي باستخدام سبع خوارزميات رؤية حاسوبية مصممة لتتبع الأجسام المتحركة. أدى الشق العمودي إلى زيادة التباين بين الجسم المستهدف وخلفيته، حتى لو كانا متشابهين بصريًا. لقد تغلبت على الكاميرا التقليدية في خمسة من الاختبارات السبعة. بالنسبة للاختبارين، كان الأداء أسوأ من الكاميرا التقليدية، وكانت دقة الكاميرتين في حدود 10 بالمائة من بعضها البعض.
استخدام عاكس لتجميع ضوء إضافي
يمكن للقطط أن ترى بوضوح أكبر في الليل من الكاميرات التقليدية بسبب وجود عاكسات في عيونها توفر ضوءًا إضافيًا لشبكية العين.كيم وآخرون / التقدم العلمي
تحتوي عيون القطط على عاكس مدمج، يسمى البساط الصافي، والذي يقع خلف شبكية العين. فهو يعكس الضوء الذي يمر عبر الشبكية ويعود إليها، حتى يتمكن من معالجة كل من الضوء الوارد والضوء المنعكس، مما يمنح القطط رؤية ليلية فائقة. يمكنك رؤية هذا التكيف البيولوجي بنفسك من خلال النظر إلى عيون القطة ليلاً: سوف تتوهج.
ابتكر الباحثون نسخة اصطناعية من هذا الهيكل البيولوجي عن طريق وضع عاكس فضي تحت كل ثنائي ضوئي في الكاميرا. تولد الثنائيات الضوئية التي لا تحتوي على عاكس تيارًا عندما يسقط عليها أكثر من 1.39 واط لكل متر مربع من الضوء، في حين يتم تنشيط الثنائيات الضوئية ذات العاكس بـ 0.007 واط / م2 من الضوء. وهذا يعني أن الثنائي الضوئي يمكنه توليد صورة بنسبة 1/200 من الضوء تقريبًا.
تم وضع كل ثنائي ضوئي فوق عاكس وربطه بأقطاب كهربائية معدنية لإنشاء مستشعر صورة منحني.كيم وآخرون / التقدم العلمي
لتقليل الانحرافات البصرية (عيوب في الطريقة التي تركز بها عدسة الكاميرا الضوء)، اختار سونج وفريقه إنشاء مستشعر الصورة المنحني، مثل الجزء الخلفي من العين البشرية. في مثل هذا الإعداد، لن تعمل شريحة مستشعر الصورة القياسية، لأنها صلبة ومسطحة. وبدلا من ذلك، فإنه يعتمد في كثير من الأحيان على العديد من الثنائيات الضوئية الفردية مرتبة على ركيزة منحنية. إحدى المشاكل الشائعة في مثل هذه المستشعرات المنحنية هي أنها تتطلب صمامات ثنائية ضوئية من السيليكون فائقة الرقة، والتي تمتص بطبيعتها ضوءًا أقل من وحدات البكسل الخاصة بالتصوير القياسي. لكن العاكسات الموجودة خلف كل ثنائي ضوئي في عين القطة الاصطناعية عوضت ذلك، مما مكن الباحثين من إنشاء مصور منحني دون التضحية بامتصاص الضوء.
أدت الشقوق العمودية والعاكسات معًا إلى ظهور كاميرا يمكنها الرؤية بشكل أكثر وضوحًا في الظلام ولا ينخدع بالتمويه. يقول سونج: “إن تطبيق هاتين الخاصيتين على المركبات ذاتية القيادة أو الروبوتات الذكية يمكن أن يؤدي بشكل طبيعي إلى تحسين قدرتها على رؤية الأشياء بشكل أكثر وضوحًا في الليل وتحديد أهداف محددة بدقة أكبر”. ويتوقع استخدام هذه الكاميرا للسيارات ذاتية القيادة أو الطائرات بدون طيار في البيئات الحضرية المعقدة.
ويواصل مختبر سونغ العمل على استخدام الحلول البيولوجية لحل مشاكل الرؤية الاصطناعية. ويعملون حاليًا على تطوير أجهزة تحاكي كيفية معالجة الدماغ للصور، على أمل أن يتم دمجها يومًا ما مع كاميراتهم المستوحاة من الناحية البيولوجية. الهدف، كما يقول سونج، هو “تقليد الأنظمة العصبية للطبيعة”.
وقد تم نشر عمل سونج وزميله هذا الأسبوع في المجلة تقدم العلوم.
