دوربین فوق‌سریع الهام‌گرفته از چشم حشرات، با سرعت ۹۱۲۰ فریم در ثانیه در نور ۴۰ برابر تاریک‌تر عکس می‌گیرد
حشرات حتی در شرایط نور کم نیز توانایی چشمگیری در حرکت و واکنش نشان می‌دهند. راز آن‌ها در چشم‌های مرکبشان نهفته است که قادر به تشخیص حرکت با سرعت و حساسیت فوق‌العاده‌ای هستند.
اکنون، محققان در موسسه علم و فناوری پیشرفته کره (KAIST) دوربینی توسعه داده‌اند که این قابلیت را به دست آورده تا تصویربرداری با سرعت بسیار بالا را محقق کند.
جالب است که این دوربین زیست‌الهام‌گرفته از محدودیت‌های دوربین‌های سرعت بالا سنتی فراتر می‌رود.
این دوربین دارای پروفایل نازک‌تری است و کمتر از 1 میلی‌متر ضخامت دارد، که امکان ادغام آن در سیستم‌های مختلف را آسان می‌سازد.
این پتانسیل را دارد که ۹۱۲۰ فریم در ثانیه بگیرد و حتی در شرایط نور کم تصاویری واضح تولید کند، مشابه عملکرد حشرات. این دوربین کاربردهای وعده‌بخشی در زمینه‌های مختلف مانند سیستم‌های دوربین قابل حمل، نظارت امنیتی و تصویربرداری پزشکی ارائه می‌دهد.
هیان-کیونگ کیم، دانشجوی دکترا در رشته مهندسی زیستی و ذهنی در KAIST و نویسنده اول مطالعه، اظهار داشت: “ما به شکل تجربی تأیید کرده‌ایم که دوربین الهام‌گرفته از چشم حشرات، عملکرد فوق‌العاده‌ای در تصویربرداری با سرعت بالا و نور کم ارائه می‌دهد، با اینکه اندازه کوچکی دارد.”
دوربین سرعت بالا جدید
تیمی پژوهشی به رهبری پروفسوران کی‌هون جئونگ و مین اچ. کیم، با الهام از نحوه پردازش اطلاعات بصری توسط چشم‌های حشرات، به این دستاورد نائل آمدند.
چشم حشرات از واحدهای کوچک زیادی به نام اوماتیدیا تشکیل شده که هرکدام به صورت مستقل عمل می‌کنند. این امر به آن‌ها امکان می‌دهد اطلاعات را به صورت موازی از نقاط مختلف میدان دید خود پردازش کنند.
این پردازش موازی به آن‌ها اجازه می‌دهد به سرعت اشیاء متحرک سریع، مانند طعمه یا شکارچیان، را شناسایی و دنبال کنند. در شرایط نور کم، چشم حشرات حساسیت خود را با یکپارچه‌سازی سیگنال‌های نوری در طول مدت زمان بیشتری افزایش می‌دهند.
این دوربین جدید، بر محدودیت‌های دوربین‌های سرعت بالا سنتی غلبه می‌کند، که در ضبط جزئیات حرکت سریع و نور کم مشکل دارند.
دوربین‌های سرعت بالا حرکت سریع را به خوبی ثبت می‌کنند، اما توانایی دیدن در نور کم کاهش می‌یابد زیرا فریم‌های بیشتری در هر ثانیه ضبط می‌شود و هر فریم زمان کمتری برای جمع‌آوری نور دارد.
این دوربین جدید، تعادل بین سرعت و حساسیت را بهبود می‌بخشد.
محققین در بیانیه خبری ذکر کردند: “تیم تحقیقاتی رویکردی مشابه با دید حشرات را اتخاذ کرده و از کانال‌های نوری چندگانه و تجمیع زمانی استفاده کرده است.”
“برخلاف سیستم‌های دوربین مونوکولار سنتی، دوربین زیست‌الهام‌گرفته ساختاری شبیه چشم مرکب به کار می‌گیرد که اجازه می‌دهد فریم‌ها از بازه‌های زمانی مختلف به صورت موازی دریافت شوند.”
این دریافت موازی به دوربین کمک می‌کند تا نور بیشتری جمع‌آوری کند و حساسیت آن را حتی هنگام ضبط اشیاء متحرک سریع بهبود بخشد.
ضبط عالی در شرایط تاریک
به جای اینکه هر فریم به‌طور مستقل گرفته شود، دوربین فریم‌ها را با دوره‌های زمانی کمی همپوشان ثبت می‌کند. این تجمع نور، نسبت سیگنال به نویز را افزایش می‌دهد.
نسبت سیگنال به نویز بالاتر منجر به تصویری واضح‌تر و دقیق‌تر، به ویژه در شرایط نور کم می‌شود.
محققین ثابت کردند که دوربین آن‌ها می‌تواند اشیائی که ۴۰ برابر تاریک‌تر از آنچه دوربین‌های سرعت بالا سنتی قادر به تشخیص آن بودند، ثبت کند.
تکنیک “جداسازی کانال” به طور قابل توجهی سرعت دوربین را افزایش داد. این امر به دستیابی به “نرخ فریمی هزاران برابر سریع‌تر از آنچه حسگرهای تصویری در پکیج‌ها پشتیبانی می‌کنند”، منجر شد.
برای اطمینان از وضوح تصاویر، محققان از الگوریتم “بازسازی تصویر فشرده” استفاده کردند که به حذف تاری کمک می‌کند.
این رویکرد نوآورانه به دوربین اجازه می‌دهد وقایع بسیار سریع را با وضوح فوق‌العاده، حتی در شرایط نوری چالش‌برانگیز، ضبط کند.
طبق گزارش، تیم تحقیقاتی قصد دارد با توسعه الگوریتم‌های پردازش تصویر پیشرفته، این فناوری را بیشتر توسعه دهد. این الگوریتم‌ها به دوربین امکان می‌دهند تا تصاویر سه‌بعدی ضبط کرده و به تصویربرداری فوق‌وضوح دست یابند.
این یافته‌ها در مجله Science Advances منتشر شده است.
