حقائق رئيسية
- باحثون في جامعة كارنيغي ميلون طوروا كاميرا يمكنها التركيز على مسافات مختلفة في وقت واحد.
- تقلد هذه التقنية عيون الحشرات المركبة لتحقيق عمق حقل رؤية عميق.
- تستخدم الكاميرا مصفوفة من الميكرو-عدسات وخوارزميات متقدمة لالتقاط "لقطة مثالية".
- تتضمن الأبحاث تعاوناً مع ناسا لتطبيقات استكشاف الفضاء المحتملة.
ملخص سريع
طور باحثون في جامعة كارنيغي ميلون نظام كاميرا يمكنه التركيز على الأشياء على مسافات مختلفة في نفس الوقت. تستلهم هذه الم创新能力 عيون الحشرات المركبة، التي تتيح لها إدراك العمق والحركة بدقة كبيرة.
تستخدم الكاميرا الجديدة مصفوفة فريدة من الميكرو-عدسات وخوارزميات معالجة متقدمة للتقاط "لقطة مثالية" بغض النظر عن المسافة. يعالج هذا التطوير محدداً أساسياً للكاميرات التقليدية، التي تتطلب مستوى بؤري واحد. للتقنية تطبيقات محتملة في مجالات متنوعة، بما في ذلك الروبوتات والتصوير الطبي والمركبات المستقلة.
من خلال التقاط معلومات تفصيلية من المقدمة والخلفية في تعريض واحد، تقدم الكاميرا نهجاً جديداً للتصوير الحاسوبي. يهدف فريق البحث، العامل مع
تحدي التركيز التقليدي
على مدى قرون، عملت الكاميرات المصنوعة بواسطة الإنسان تحت قيد بصري واحد: القدرة على التركيز بوضوح على مستوى مسافة واحد في كل مرة. هذا المحد، المعروف باسم عمق حقل الرؤية الضيق، يجبر المصورين على اختيار ما يجب تركيزه وما يجب طمسه. سواء باستخدام هاتف ذكي أو كاميرا احترافية، فإن فيزياء الضوء عبر عدسة واحدة تفرض أن الأشياء الموجودة على مسافة محددة فقط هي التي ستظهر بوضوح.
يخلق هذا القيد تحديات كبيرة في البيئات الديناميكية. في التصوير، يعني ذلك فقدان "اللقطة المثالية" إذا تحرك الموضوع بشكل غير متوقع. في التطبيقات العلمية والصناعية، يتطلب الأمر أنظمة معقدة تستغرق وقتاً طويلاً لمسح مستويات التركيز المختلفة لبناء صورة كاملة. كان المحد الأساسي هو أن عدسة واحدة لا يمكنها تقديم تفاصيل حادة للجسم القريب والخلفية البعيدة في نفس الوقت.
يُشعر بعواقب هذا المحد عبر عدة صناعات. في التنظير الطبي، قد يواجه الأطباء صعوبة في رؤية أسطح الأنسجة والهياكل العميقة بوضوح في منظر واحد. في الروبوتات، يجب على الأنظمة المستقلة ضبط التركيز بسرعة للتنقل في بيئات معقدة، وهي عملية قد تسبب تأخراً. دفع البحث عن حل الباحثين إلى النظر إلى النماذج البيولوجية، وتحديداً أنظمة الرؤية لدى الحشرات.
نموذج بيولوجي للتصوير 🦋
الاختراق من فريق البحث في جامعة كارنيغي ميلون يستلهم مباشرة من العالم الطبيعي. تمتلك الحشرات مثل اليعسوب والذباب عيوناً مركبة، تتكون من آلاف من المستقبلات البصرية الصغيرة الفردية تسمى العينات. كل عينة تلتقط زاوية مختلفة قليلاً للعالم، مما يوفر للحشرة حقل رؤية واسع والقدرة على اكتشاف الحركة والعمق في نفس الوقت دون الحاجة إلى "التركيز" بالمعنى البشري.
نسخ الباحثون هذه البنية البيولوجية باستخدام الهندسة الحديثة. نظام الكاميرا الجديد لا يعتمد على عدسة واحدة كبيرة. بدلاً من ذلك، يستخدم مصفوفة كثيفة من العدسات المصغرة، كل منها مقترن بمستشعر خاص بها. هذا التصميم يسمح للكاميرا التقاط مناظر متعددة للمشهد في لحظة واحدة. ثم تعالج الخوارزميات المتطورة البيانات الخام من هذه المئات من الميكرو-عدسات.
تعمل هذه الخوارزميات كـ "عقل" النظام، وتجمع البيانات معاً لإنشاء صورة نهائية يكون فيها كل شيء في التركيز. هذه العملية، المعروفة باسم التصوير الحاسوبي
كيف تعمل كاميرا التركيز المتعدد 🔬
جوهر التقنية يكمن في دمج الأجهزة والبرمجيات الفريد. مستشعر الكاميرا ليس سطحاً واحداً متواصلاً، بل فسيفساء من مناطق مستشعر صغيرة، كل منها مخصص لميكرو-عدسة واحدة. هذا البنية يختلف جذرياً عن مستشعرات الصورة القياسية. عندما يمر الضوء عبر المصفوفة، يسقط كل ميكرو-عدسة منظراً مختلفاً بقليل على منطقة المستشعر المقابلة.
يقوم النظام بالتقاط هذه البيانات المعقدة في تعريض واحد. الإخراج الخام ليس صورة تقليدية، بل مجموعة من نقاط البيانات المتشابكة من كل عدسة. هنا تأتي المعالجة المتقدمة. طور فريق البحث خوارزمية إ reconstruction متخصصة تفسر هذه البيانات لتحديد المسافة ووضوح الأشياء في كل نقطة في المشهد.
تقوم الخوارزمية بإعادة تجميع معلومات الضوء لإنتاج صورة مركزة بالكامل. يمكن تقسيم هذه العملية إلى ثلاث مراحل رئيسية:
- التقاط الضوء: تلتقط مصفوفة الميكرو-عدسات مناظر متعددة للمشهد في نفس الوقت.
- معالجة البيانات: تحلل الخوارزمية بيانات الضوء من كل عدسة لحساب العمق والتفاصيل.
- إعادة بناء الصورة: يتم إنشاء صورة نهائية مركزة بالكامل رقمياً من البيانات المعالجة.
يسمح هذا الأسلوب للكاميرا بتحقيق ما يسميه الباحثون "لقطة مثالية"، مما يضمن عدم خروج أي جزء من الصورة عن التركيز.
التطبيقات المستقبلية وتعاون ناسا 🚀
التطبيقات المحتملة لهذه تقنية كاميرا التركيز المتعدد واسعة ومتنوعة. في مجال الروبوتات، قد تمكن الطائرات بدون طيار والمركبات المستقلة من التنقل في بيئات معقدة بشكل أكثر أماناً وكفاءة من خلال توفير منظر مركز بالكامل بشكل ثابت. في التصوير الطبي، قد تحدث ثورة في إجراءات التنظير، مما يسمح للجراحين برؤية تفاصيل دقيقة في الأنسجة دون الحاجة إلى إعادة تركيز أدواتهم باستمرار.
جذبت الأبحاث أيضاً انتباه ناسا. تتعاون وكالة الفضاء مع الفريق لاستكشاف كيفية تكييف هذه التقنية لاستكشاف الفضاء. في البيئة القاسية في الفضاء، حيث يجب أن تكون المعدات موثوقة ومتعددة الاستخدامات، فإن الكاميرا التي يمكنها التقاط صور عالية الدقة للعينات الجيولوجية القريبة والكواكب البعيدة دون أجزاء متحركة هي مرغوبة للغاية. قد يكون هذا لا غنى عنه لمركبات التجول الكوكبية والأقمار الصناعية للتصوير المداري.
بالإضافة إلى ذلك، قد تؤثر التقنية على الإلكترونيات الاستهلاكية، مما قد يؤدي إلى هواتف ذكية لا تلتقط صوراً ضبابية أبداً. كما تفتح أبواباً جديدة للأبحاث العلمية، مما يسمح بمراقبة الظواهر المختلفة المقاييس في نفس الوقت. مع نضج التقنية، من المحتمل أن يركز تعاون جامعة كارنيغي ميلون وناسا على تصغير النظام وتحسين سرعة معالجته للتطبيقات في الوقت الفعلي.
