گروهی از دانشمندان کامپیوتر در دانشگاه مریلند، یک سیستم دوربین پیشرفته را طراحی کرده‌اند که می‌تواند روش درک و تعامل ربات‌ها با محیط خود را بهبود بخشد. این فناوری الهام گرفته شده از حرکات غیرارادی چشم انسان است و هدف آن افزایش وضوح و پایداری دید رباتیک است.
تیم تحقیقاتی تحت رهبری دانشجوی دکترا به نام بوتائو هی، یافته‌های خود را در یک مقاله منتشر شده در مجله Science Robotics به طور دقیق شرح داده‌اند. اختراع آنها شامل یک دوربین رویدادی با میکروساکاد مصنوعی (AMI-EV) است که به چالش مهمی در زمینه بینایی روباتیک و سیستم‌های خودمختار می‌پردازد.
مشکل دوربین های رباتیک فعلی
دوربین‌های رویداد، که یک فناوری نسبتاً جدید در حوزه رباتیک است، نسبت به دوربین‌های سنتی در ردیابی اشیاء متحرک برتری دارند. با این حال، آنها در شرایط پرحرکت و با محدودیت‌های قابل توجهی، در ثبت تصاویر واضح و بدون تار مشکل دارند.
این نقص برای روبات‌ها، خودروهای خودران و سایر فناوری‌هایی که به اطلاعات بصری دقیق و به‌موقع برای مسیریابی و واکنش به محیط خود نیاز دارند، مشکل اساسی ایجاد می‌کند. توانایی حفظ تمرکز بر روی اشیاء متحرک و به‌دست آوردن داده‌های بصری دقیق برای عملکرد ایمن و موثر این سیستم‌ها بسیار حائز اهمیت است.
الهام از چشم انسان
برای مقابله با این چالش، تیم تحقیقاتی تصمیم گرفتند از طبیعت، به خصوص چشم انسان الهام بگیرند. آنها به میکروساکادها تمرکز کردند، که حرکات کوچک و غیرارادی چشم هستند و زمانی رخ می‌دهند که شخص سعی می‌کند تمرکز بینایی خود را حفظ کند.
این حرکات دقیق و پیوسته به چشم انسان اجازه می‌دهد تا تمرکز خود را بر روی یک شیء حفظ کند و ویژگی‌های بصری مانند رنگ، عمق و سایه‌ها را به دقت در طول زمان درک کند. هدف این تیم از تقلید این فرآیند بیولوژیکی، ایجاد یک سیستم دوربین بود که بتواند به استحکام و وضوح مشابهی در دید رباتیک دست یابد.
دوربین رویداد مصنوعی با میکروساکاد پیشرفته (AMI-EV)
نوآوری اصلی در دوربین AMI-EV، توانایی تکثیر مکانیکی میکروساکادها است. تیم تحقیقاتی درون دوربین یک منشور چرخشی قرار دادند تا پرتوهای نوری که از طریق لنز وارد می‌شوند، مسیر خود را تغییر دهد. این حرکت چرخشی پیوسته، حرکات طبیعی چشم انسان را شبیه‌سازی می‌کند و به دوربین امکان می‌دهد تا بافت اشیاء ضبط‌شده را به شکلی مشابه دید انسان ثابت نگه دارد.
برای تکمیل نوآوری سخت‌افزاری، تیم یک نرم‌افزار ویژه برای جبران حرکت منشور در AMI-EV توسعه داد. این نرم‌افزار الگوهای نوری را در تصاویر پایدار ترکیب می‌کند و به طور موثر توانایی مغز در پردازش و تفسیر اطلاعات بصری از حرکات میکروساکادها را تقلید می‌کند.
این ترکیبی از پیشرفت‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری به دوربین AMI-EV اجازه می‌دهد تا تصاویر واضح و دقیقی را حتی در شرایطی که حرکت وجود دارد، ضبط کند و محدودیت‌های اساسی فناوری دوربین‌های رویداد را برطرف کند.
برنامه های کاربردی بالقوه
رویکرد نوآورانه AMI-EV برای ثبت تصویر، به وسعتی از کاربردهای مختلف و جذاب در زمینه‌های مختلف را در اختیار ما قرار می‌دهد:
1. رباتیک و وسایل نقلیه خودمختار: توانایی دوربین در ثبت تصاویر واضح و پایدار در حالت حرکت، می‌تواند به طور قابل توجهی توانایی تصمیم‌گیری و درک ربات‌ها و خودروهای خودران را افزایش دهد. این دید بهبود یافته می‌تواند به سیستم‌های مستقل، ایمن‌تر و کارآمدتر کمک کند که قادر به شناسایی و پاسخگویی بهتر به محیط خود در زمان واقعی هستند.
2. واقعیت مجازی و واقعیت افزوده: در حوزه فناوری‌های پیشرو، تأخیر کم و عملکرد برتر AMI-EV در شرایط نوری و شدت نور، آن را برای کاربردهای واقعیت مجازی و واقعیت افزوده بسیار مناسب می‌سازد. این دوربین با محاسبه سریع حرکات سر و بدن، می‌تواند بهبودی در بیماری‌های حرکتی و ایجاد تجربه کاربری بهتر، تجربه‌های یکپارچه و واقعی‌تر را فراهم کند.
3. امنیت و نظارت: قابلیت‌های پیشرفته دوربین در تشخیص حرکت و لرزشگیر تصویر می‌تواند تغییرات عمده‌ای در سیستم‌های امنیتی و نظارتی به همراه داشته باشد. نرخ فریم بالا و تصاویر واضح در شرایط نوری متفاوت، می‌تواند منجر به تشخیص دقیق‌تر تهدیدات و بهبود کلی نظارت و امنیت شود.
4. نجوم و تصویربرداری فضایی: توانایی AMI-EV در ثبت حرکت سریع با وضوح بی‌سابقه، در رصد و ثبت تصاویر نجومی بسیار ارزشمند است. این فناوری می‌تواند به اخترشناسان کمک کند تا تصاویر دقیق‌تری از اجرام آسمانی و رویدادها ثبت کنند که به طور بالقوه، منجر به کشف‌های جدید در حوزه پژوهش‌های فضایی می‌شود.
عملکرد و مزایا
AMI-EV دارای ویژگی‌های شگفت‌انگیزی است که به سادگی قابل درک است. یکی از این ویژگی‌ها، توانایی ثبت حرکت با سرعت ده‌ها هزار فریم در ثانیه است. این تعداد فریم‌ها بسیار بیشتر از دوربین‌های معمولی است که معمولاً بین 30 تا 1000 فریم در ثانیه ثبت می‌کنند.
عملکرد AMI-EV به تنهایی به تعداد فریم‌ها محدود نمی‌شود، بلکه توانایی حفظ وضوح تصویر در حین حرکت سریع را نیز داراست. این ویژگی باعث می‌شود تصاویری که در شرایط حرکت مشاهده می‌شوند، نرم‌تر و واقعی‌تر به نظر برسند و در کاربردهای مختلف مفید باشند.
یکی از نقاط قوت AMI-EV این است که در شرایط نوری چالش‌برانگیز عملکرد برتری دارد. به ویژه در مواردی که شرایط روشنایی تغییرپذیر یا غیرقابل پیش‌بینی هستند، مانند وسایل نقلیه خودران در فضای باز یا تصویربرداری فضایی، AMI-EV بسیار مفید است.
چشم انداز آینده
توسعه AMI-EV قدرتی دارد که می‌تواند صنایع مختلف را بهبود بخشد و به آنها امکانات بیشتری ارائه دهد. این فناوری در زمینه‌های مختلفی مانند مراقبت بهداشتی قابل استفاده است، جایی که می‌تواند به تشخیص دقیق‌تر کمک کند. همچنین در زمینه تولید، می‌تواند فرآیندهای کنترل کیفیت را بهبود بخشد.
با توجه به اینکه این فناوری همچنان در حال توسعه است، ممکن است راه را برای سیستم‌های پیشرفته‌تر و قدرتمندتر فراهم کند. در آینده، الگوریتم‌های یادگیری ماشین می‌توانند برای افزایش پردازش تصویر و قابلیت تشخیص اشیاء بهبود یابند. علاوه بر این، با کوچک‌سازی این فناوری، امکان یکپارچه‌سازی آن در دستگاه‌های کوچک‌تر وجود دارد و کاربردهای بیشتری می‌تواند توسعه یابد.