دوربین الهام‌گرفته از چشم گربه، دید در شب پهپادها و تشخیص استتار را بهبود می‌بخشد
دانشمندان دوربینی جدید ساخته‌اند که ساختار چشم گربه را برای مقابله با چالش‌های ناشی از نور کم و استتار تقلید می‌کند. این دوربین که توسط مین سو کیم و تیمش طراحی شده است، قابلیت‌هایی را که در پهپادها و وسایل نقلیه خودمختار استفاده می‌شود، بهبود می‌بخشد.
این دوربین دو ویژگی کلیدی چشم گربه را تقلید می‌کند: مردمک‌های عمودی و تپتوم لوسیدوم، لایه بازتابنده‌ای پشت شبکیه که حساسیت به نور را افزایش می‌دهد.
“ترکیب تپتوم لوسیدوم الهام‌گرفته از بازتابنده فلزی نقره‌ای و مردمک کاملاً گشاد شده، حساسیت دوربین را به شدت افزایش می‌دهد و این امکان را می‌دهد تا تصاویر واضح‌تر و با جزئیات بیشتری حتی در شرایط نوری چالش‌برانگیز گرفته شوند”، مین سو کیم به مهندسی جالب (IE) می‌گوید.
چرا دید گربه‌ها برتر است
در حالی که راه‌حل‌های نرم‌افزاری می‌توانند مشکلات نور کم و استتار را رفع کنند، اما نیازهای بالای پردازش و مصرف انرژی بالایی دارند. کیم و همکارانش به دلیل این معایب، به نوآوری‌های سخت‌افزاری روی آوردند و از طراحی طبیعی چشم‌های گربه‌ها الهام گرفتند.
“تقلید از ساختارهای چشم گربه باعث بهبود عملکرد دوربین در شرایط نور کم می‌شود با توجه به ویژگی‌هایی مانند تپتوم لوسیدوم و مردمک قابل تنظیم عمودی. تپتوم لوسیدوم، لایه‌ای بازتابنده پشت شبکیه چشم گربه، به عنوان کریستال فوتونیک با ساختارهای میله‌ای، نور ورودی را از طریق شبکیه برای جذب دوم بازتاب می‌دهد.”
“این مکانیزم حساسیت به نور را نسبت به چشم انسان افزایش می‌دهد. علاوه بر این، در محیط‌های کم‌نور، مردمک گربه می‌تواند به شکل دایره‌ای کامل گشاد شود و اجازه دهد نور بیشتری وارد شود. با تقلید از این دو ویژگی، حساسیت دوربین در شرایط نور کم به طور قابل توجهی بهبود می‌یابد.”
مردمک‌های عمودی همچنین به گربه‌ها کمک می‌کنند تا سطح نور را در شرایط روشن و تاریک کنترل کنند و همزمان پس‌زمینه ای عمودی تار ایجاد می‌کنند که به گربه‌ها اجازه می‌دهد نویز پس‌زمینه اضافی را فیلتر کنند.
“اول، برای تقلید از تپتوم لوسیدوم، یک بازتابنده فلزی نقره‌ای پشت سنسور تصویر قرار داده می‌شود. این انتخاب طراحی وابستگی طول موج را که در تپتوم لوسیدوم بیولوژیکی وجود دارد، از بین می‌برد و بازتاب نور یکنواخت‌تری در طول‌های موج مختلف فراهم می‌کند”، مین سو کیم توضیح می‌دهد.
دوربین الهام‌گرفته از چشم گربه
الهام گرفته از چشم گربه، کیم و تیمش دیافراگم سفارشی با شکاف عمودی و آرایه فوتودیود سیلیکونی کروی با بازتابنده‌های نقره‌ای توسعه داده‌اند.
همانطور که کیم توضیح می‌دهد، “دوربین‌های سنتی معمولاً از دیافراگم دایره‌ای کوچک استفاده می‌کنند، به ویژه در شرایط نوری روشن، که منجر به عمق میدان عمیقی می‌شود که در آن هم پس‌زمینه و هم شیء به وضوح فوکوس شده‌اند. این می‌تواند تشخیص شیء را از پس‌زمینه پیچیده دشوار کند.”
“در مقابل، دوربین با مردمک عمودی الهام‌گرفته از چشم گربه از مردمکی عمودی استفاده می‌کند که باعث ایجاد عمق میدانی نامتقارن می‌شود. این دیافراگم عمودی عمق میدان را کم می‌کند و باعث می‌شود که پس‌زمینه تار به نظر برسد در حالی که شیء به وضوح فوکوس شده است.”
“این فوکوس انتخابی قابلیت دوربین را در تشخیص اشیاء از پس‌زمینه‌های پیچیده افزایش می‌دهد و تشخیص اشیاء را در محیط‌های با پس‌زمینه پیچیده یا بهم ریخته بهبود می‌بخشد.”
برای ارزیابی طراحی خود، عملکرد دوربین “مردمک عمودی” خود را با دوربین دیافراگم دایره‌ای کوچک استاندارد مقایسه کردند. وقتی در مدل تشخیص شیء با پس‌زمینه‌های پیچیده آزمایش شد، دوربین مردمک عمودی به دقت بالاتری بیش از 10% نسبت به دوربین دیافراگم دایره‌ای دست یافت.
محدودیت های دوربین
پژوهشگران اعتراف می‌کنند که دوربین مردمک عمودی محدودیت‌هایی دارد، به خصوص وضوح پیکسلی نسبتا پایین آن. با این حال، آن‌ها به سنسورهای تصویر با کیفیت بالاتر که تجاری موجود هستند اشاره می‌کنند.
دوربین همچنین میدان دید باریکی دارد، یک سازش مشابه آنچه که گربه‌ها و دیگر حیوانات با مردمک‌های عمودی در طبیعت تجربه می‌کنند.
“در حالی که طراحی جدید دوربین با تقلید از ساختارهای چشم گربه، پیشرفت‌های قابل توجهی در حساسیت به نور و جداسازی شیء از پس‌زمینه ارائه می‌دهد، با محدودیت‌های خاص خود نیز همراه است. شکل نیمکره‌ای و دیافراگم قابل تنظیم عمودی می‌تواند تلفیق در دستگاه‌های موجود را که معمولاً برای سنسورهای مسطح یا مستطیلی طراحی شده‌اند، پیچیده کند”، کیم می‌گوید.
“علاوه بر این، پیچیدگی مکانیکی دیافراگم قابل تنظیم ممکن است منجر به هزینه‌های تولید بالاتر و چالش‌های نگهداری بالقوه شود. برای رفع این محدودیت‌ها و افزایش کاربردپذیری دوربین برای کاربردهای واقعی، پژوهشگران بر توسعه طرح‌های کم حجم‌تر و سازگارتر متمرکز هستند که مزایای سنسور نیمکره‌ای را حفظ و در عین حال با انواع دستگاه‌ها از جمله گوشی‌های هوشمند، پهپادها و سیستم‌های خودرو سازگار باشند”، پژوهشگر نتیجه‌گیری می‌کند.
این مطالعه در
پیشرفت‌های علمی
منتشر شده است.
