High-speed Imaging through Turbulence with Event-based Light Fields
تقدم هذه الورقة أول نظام قادر على تصوير الأجسام غير الصلبة سريعة الحركة عبر الاضطرابات الجوية القوية بمعدلات إطارات عالية، وذلك من خلال الاستفادة من كاميرات المجال الضوئي القائمة على الأحداث والتعلم الآلي للتمييز بين حركة المشهد المترابطة والأحداث غير المترابطة الناتجة عن الاضطرابات.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل أنك تحاول التقاط صورة لطائر طنان يطير بسرعة البرق، لكنك تفعل ذلك من خلال ضباب حراري يتصاعد من طريق أسفلتي ساخن. الهواء يتلألأ، مما يجعل الطائر يبدو وكأنه يتذبذب، ويتمدد، ويتحول إلى كتلة شبحية مشوشة. هذه هي مشكلة الاضطراب الجوي.
لعقود من الزمن، عانت الكاميرات من هذه المشكلة. تلتقط الكاميرات التقليدية "لقطة" عبر إبقاء غالقها مفتوحاً لجزء ضئيل جداً من الثانية. إذا كان الهواء يتحرك بسرعة أو كان الجسم يتح يتحرك بسرعة، فستظهر اللقطة مشوهة. الأمر يشبه محاولة التقاط صورة لسيارة سباق عن طريق إغلاق عينيك لكسر من الثانية ثم فتحهما؛ ستحصل فقط على صورة ضبابية.
تقدم هذه الورقة حلاً مبتكراً يجمع بين فكرتين متطورتين: كاميرات الأحداث (Event Cameras) والمجال الضوئي (Light Fields). وإليك شرح كيفية عمل ذلك ببساطة.
1. كاميرا الأحداث: "العين شديدة اليقظة"
الكاميرات القياسية تشبه الأشخاص الذين يرمشون ببطء. فهي تلتقط مشهداً كاملاً دفعة واحدة، حتى لو كانت الأشياء تتحرك بسرعة كبيرة بحيث لا يمكن رؤيتها بوضوح.
كاميرات الأحداث مختلفة. فهي لا تلتقط صوراً؛ بل هي أشبه بسرب من النمل شديد اليقظة. هي لا ترسل إشارة إلا عندما ترى تغيراً في السطوع.
- إذا كانت البكسلات مظلمة وبقيت مظلمة؟ صمت.
- إذا كانت البكسلات ساطعة وبقيت ساطعة؟ صمت.
- إذا تحرك شيء ما وتغير السطوع؟ بام! تُرسل إشارة فوراً في غضاً من الميكروثانية.
هذا يسمح لها برؤية الأشياء التي تتحرك بسرعة هائلة (مثل سهم "نيرف" الذي يتحرك بسرعة 16,000 بكسل في الثانية!) دون أي ضبابية ناتجة عن الحركة. ومع ذلك، هناك عقبة: فهي لا تستطيع التمييز بين حركة الطائر وبين تذبذب الهواء. بالنسبة للكاميرا، يبدو كلاهما كمجموعة فوضوية من الأضواء المتغيرة. الأمر يشبه محاولة سماع صوت صديق في غرفة يعصف فيها الريح؛ أنت تسمع ضجيجاً، لكن لا يمكنك فصل الصوت عن الريح.
2. المجال الضوئي: "حشد من الشهود"
هنا يأتي الجزء الثاني من السحر. لقد صنع الباحثون كاميرا خاصة لا تحتوي فقط على عدسة واحدة، بل تحتوي على مشكال (Kaleidoscope) بداخلها.
فكر في الأمر كالتالي: بدلاً من شخص واحد يحاول رؤية الطائر عبر الضباب الحراري، لديك تسعة أشخاص يقفون في دائرة حول الطائر، جميعهم ينظرون إليه من زوايا مختلفة قليلاً في نفس الوقت تماماً.
- الطائر (المشهد): يبدو الطائر نفسه لجميع الأشخاص التسعة. إذا تحرك لليسار، سيراه الجميع يتحرك لليسار.
- الضباب الحراري (الاضطراب): الهواء يضطرب بشكل مختلف لكل شخص. الشخص الموجود على اليسار يرى الطائر يتذبذب بطريقة معينة، والشخص الموجود على اليمين يراه يتذبذب بطريقة مختلفة تماماً.
3. الحل: "خوارزمية الإجماع"
استخدم الباحثون برنامج كمبيوتر ذكي (ذكاء اصطناعي) للنظر في البيانات الواردة من جميع "الشهود التسعة" (المشاهد التسعة من المشكال).
إليك المنطق الذي يستخدمه الذكاء الاصطناعي:
- "إذا رأى الأشخاص التسعة الطائر يتحرك لليسار في نفس الوقت، فهذه حركة حقيقية."
- "إذا رأى الشخص (أ) الطائر يتذبذب لليسار، بينما رأى الشخص (ب) الطائر يتذبذب لليمين، ورأى الشخص (ج) أنه ثابت... فهذه ليست حركة الطائر. إنها مجرد تذبذب الهواء."
من خلال مقارنة جميع المشاهد، يمكن للذكاء الاصطناعي رياضياً أن "يطرح" التذبذب العشوائي الناتج عن الهواء ويحتفظ فقط بالحركة المتسقة للجسم. الأمر يشبه محققاً يسأل تسعة شهود عما رأوه؛ إذا اتفق تسعة أشخاص على مسار المشتبه به، بينما كانت أوصافهم للخلفية مختلفة تماماً، فإن المحقق يعرف أن الخلفية كانت مجرد تشتيت.
النتائج: ماذا حققوا؟
باستخدام هذا النظام ("كاميرا الأحداث ذات المجال الضوئي")، تمكن الفريق من:
- الرؤية عبر الضباب الحراري القوي: قاموا بتصوير أجسام تتحرك عبر اضطرابات تجعل الفيديو يبدو عادةً كلوحة شمعية ذائبة.
- رصد الحركة فائقة السرعة: التقطوا كرة تقفز وشريطاً يدور بسرعات تصل إلى 600 إطار في الثانية (وحتى قاموا بمحاكاة 12,000 إطار في الثانية!) مع بقاء الصور حادة وواضحة.
- لا مزيد من الضبابية: لأن كاميرا الأحداث لا تستخدم "غالقاً"، فإن الأجسام سريعة الحركة لا تبدو مشوهة.
لماذا هذا مهم؟
هذا ليس مجرد تصوير فيديوهات رائعة لسهام "نيرف". يمكن لهذه التكنولوجيا أن تحدث ثورة في:
- المراقبة: الرؤية بوضوح من خلال موجات الحرارة أو الدخان.
- علم الفلك: رؤية النجوم بوضوح عبر الغلاف الجوي المضطرب للأرض دون الحاجة إلى مرايا ضخمة ومكلفة.
- المركبات ذاتية القيادة: مساعدة السيارات ذاتية القيادة على الرؤية بوضضوح من خلال الحرارة الصاعدة من الطريق في يوم حار.
باختاً، لقد صنعوا كاميرا تعمل كفريق من الشهود شديدي الانتباه، مستخدمين اتفاقهم الجماعي لتصفية "الضجيج" الناتج عن الغلاف الجوي وكشف العالم الحقيقي الحاد وعالي السرعة الكامن تحتها.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.