طراحی دوربینی با قابلیت مشاهده پشت دیوار

انسان چگونه قادر است تا گوشه‌هایی که در حالت عادی در دامنه‌ی دید انسان نیست، ببیند؟ یکی ار راهکارهای موجود برای حل این مشکل استفاده از اشعه‌ی ایکس است.

در ساده‌ترین حالت می‌توان از آینه نیز استفاده کرد. اما دانشمندان موفق به طراحی دوربینی شده‌اند که می‌تواند با استفاده از راهکارهای پردازشی، از دیوارها و کف زمین به عنوان یک آینه‌ی مجازی استفاده کرده و تصویری از اشیاء در گوشه‌ها را که پشت دیوار پنهان شده، نمایش دهد.

با استفاده از انتخاب صحیح زاویه برای آینه می‌توان محیطی را که در پشت دیوار قرار گرفته و نمی‌توان با استفاده از چشم عادی آن را برانداز کرد، به راحتی دید. در صورت رفتن به سراغ راهکارهای ارائه شده توسط فناوری، استفاده از اشعه‌ی ایکس پیشنهاد می‌شود؛ اما یافته جدید دانشمندان روش جدیدی را برای دیدن تصاویر پنهان شده پشت دیوار در اختیار کاربران قرار می‌دهد. با استفاده از دوربینی که توسط تیمی به رهبری Genevieve Gariepy تولید شده، می‌توان اشیایی را که پشت دیوار قرار گرفته‌اند، به راحتی مشاهده کرد. در این ردیاب یا به بیان بهتر دوربین، از راهکارهای پردازش تصاویر و استفاده از دیوارها و کف زمین به عنوان آینه مجازی بهره گرفته شده است.

آینه به این شکل کار می‌کند که از طریق انعکاس نور تابیده شده از سوی اشیاء به چشم افراد، امکان مشاهده‌ی اشیایی را که در دامنه‌ی دید ماه قرار ندارند را فراهم می‌کند. آینه این توانایی را دارد که تا تمامی نور منعکس شده از سوی اشیاء را بدون تغییر به سمت چشم کاربر روانه کند و از همین رو است که می‌توان تصویری شفاف را در آینه مشاهده کرد. سایر اشیاء که سطح غیر شفاف دارند، به این دلیل که نور تابیده شده را به صورت رندم منعکس می‌کنند، قادر نیستند تا تصویری شفاف را از اشیاء مجاور به چشم کاربران منعکس کنند.

محققان در دانشگاه Heriot-Watt و Edinburgh موفق شده‌اند روشی را با استفاده از نورهای تابیده شده از سطح اشیاء غیرشفاف بیابند که از طریق آن می‌توان تصویری از اشیایی که پشت دیوار پنهان شده‌اند، مشاهده کرد. در دوربین توسعه یافته توسط محققان این دو دانشگاه از فناوری مسافت‌یاب لیزری استفاده شده است. در مسافت‌سنج‌های لیزری زمان برخورد اشعه‌ی لیزر به مانع و برگشت آن به ردیاب اندازه‌گیری شده و از این طریق فاصله محاسبه می‌شود.

ساز و کار عملکرد این دوربین بسیار ساده است که در ادامه به تشریح آن خواهیم پرداخت. در مرحله‌ی اولین اشعه‌ای از لیزر به سمت زمین تابیده شده و پس از بر خورد در تمام جهات منعکس می‌شود. بخشی از لیزر تابیده شده با برخورد به سطح شیء مورد نظر که در پشت دیوار قرار داده شده، بازتابیده و پس از برخورد به زمین دوباره به سمت منبعی که لیزر از آن ساطع شده باز می‌گردد. با توجه به اینکه سرعت نور فاکتوری مشخص است، می‌توان با مصاحبه‌ی زمان رفت و برگشت نور به محلی که شیء مورد نظر در پشت دیوار قرار گرفته، پی برد.

اما این تمام ماجرا نیست و بخش بزرگی از محاسبات باید در جزئیات صورت گیرد. دقت محاسبه‌ی زمان باید کمتر از پانصد میلیاردم ثانیه باشد. البته باید به این نکته نیز اشاره کرد که شدت نور بازتابیده شده بسیار کم است و این موضوع به دلیل استفاده از سطحی است که شفافیت بالایی ندارد. با در نظر گرفتن این دو محدودیت می‌توان به روشنی لزوم استفاده از فناوری لیزر و شناسایی نور با دقت بالا را درک کرد.زمان‌بندی پالس‌های لیزر مورد استفاده در این سیستم کمتر از صدهزار میلیاردم ثانیه است. همچنین دوربین مورد استفاده، سنسوری استفاده می‌کند که پیکسل‌های آن بسیار حساس هستند. زمان‌ مورد نیاز برای دریافت نور بازتابیده شده از سطح به اندازه‌ای مهم است که از یک زمان‌سنج بسیار حساس با دقت چند هزار میلیاردم ثانیه به منظور تعیین زمان پالس‌های نور دریافتی استفاده می‌شود.

همانطور که اشاره کردیم شدت نور تابیده شده از شیء مورد نظر روی زمینی که سطح غیرشفافی دارد، بسیار کم است. اختلاط نور ساطع شده از شیء مورد نظر با نورهایی که توسط اشیاء جانبی روی زمین پخش می‌شوند نیز کار را بیش از پیش سخت‌تر می‌کند. موفقیت روش توسعه یافته توسط دانشمندان برای تولید این دوربین نیز در همین مرحله نهفته است. دانشمندان موفق شده‌اند تا نویز را از سیگنال‌های نور ساطع شده از شیء که پشت دیوار است تمیز داده و از این‌رو کیفیت تصویر جسمی را که پشت دیوار پنهان شده بیش از پیش افزایش دهند. با توجه به اینکه شیء مورد نظر در پشت دیوار حرکت می‌کند، از این‌رو دانشمندان می‌توانند به راحتی سیگنال‌های نور ساطع شده از آن را تشخیص دهند. چرا که زمان رسیدن نور به سنسور با توجه به حرکت شیء تغییر می‌کند؛ در حالی که سایر اشیاء که نور آن‌ها نیز از طریق زمین به سمت دوربین ساطع می‌شود، دارای ماهیت ثابتی هستند.

مرحله‌ی آخر تشکیل تصویری از شیئی است که در پشت دیوار قرار گرفته است. با توجه به اینکه داده‌های جمع‌آوری شده نشان از این دارند که شی مورد نظر در حال حرکت است، از این‌رو امکان تشکیل تصویر براساس داده‌های متفاوت کمی سخت است. این دوربین قادر است با انجام محاسبات مکرر در طول چند ثانیه، تصویر مورد نظر از شیء را تشکیل دهد. این موضوع اهمیت دوربین جدید را بیش از پیش نمایش می‌دهد؛ چراکه نمونه‌های پیشین نیازمند محاسبات زیادی بودند که زمان بسیار بالایی را به خود اختصاص می‌داد. در حال حاضر این دوربین قادر است اشیایی را که در فاصله‌ی حداکثر ۶۰ سانتی‌متر از دیوار قرار دارند، شناسایی کند. براساس اطلاعات ارائه شده این دوربین در آینده قادر خواهد بود تا اشیایی به فاصله‌ی ۱۰ متر را تشخیص داده و سوی قرار گرفتن اجسام را در کنار مدل فیزیکی آن‌ها ارائه دهد.

از جمله‌ی کاربردهای این سیستم می‌توان به بهره‌گیری از آن در دوربین‌های امنیتی اشاره کرد که وظیفه‌ی آن‌ها شناسایی و تصویربرداری از محیط در زمان‌هایی است که حرکتی در محیط رخ می‌دهد. همچنین باید به خودروهای هوشمند نیز اشاره کرد که می‌توان با استفاده از این دوربین اشیایی را که از گذرگاه‌های دیگر به تقاطع نزدیک می‌شوند، شناسایی کرد.