نسل جدید دوربین‌های دیجیتال با قابلیت عکس برداری از تمام زوایا

اگر اندکی بر تاریخچه دوربین و صنعت عکاسی بیاندیشیم، سالیان خیلی زیادی از عکس‌های سیاه و سفید و تاریک خانه‌های چاپ عکس یا دوربین‌های فلش دار و حلقه‌های نگاتیو نمی‌گذرد اما گذر زمان این صنعت را با شتاب بالایی پیشرفت داد تا جایی که امروزه هریک از ما در گوشی همراه خود یک آتلیه مجهز عکاسی داریم و بدون صرف هیچ زحمتی تنها با فشار روی یک دکمه می‌توانیم عکس با کیفیتی را در همان لحظه تهیه کنیم. اما صنعت عکاسی به همین بسنده نکرده و هرساله در نمایشگاه‌ دستاوردهای تکنولوژیکی شاهد رونمایی از دوربین‌هایی با امکانات جدیدی هستیم که کاربردهای خارق العاده‌ای را برای ما ممکن می‌سازند. یکی از جدیدترین دوربین‌هایی که امسال نتایج مثبت تحقیقاتی آن ارائه شده است، دوربین‌های دیجیتال ساده‌ای می‌باشد که می‌تواند از همه جهات و حتی از اشیائی که پشت شیء دیگری قرار دارند، عکس تهیه کند.
این دوربین‌های دیجیتال جدید با تجزیه و تحلیل نور عبوری از یک دیوار می‌توانند تصاویر دقیقی از جزئی‌ترین اشیاء در تمام جهات تهیه کنند.

این تکنولوژی برای کسانی که می‌خواهند بدانند چه چیزی پشت دیوارها قرار دارد، خبر خوبی است. به طور مثال مهندسین برق با استفاده از یک دوربین دیجیتال عادی می‌توانند تصاویر بازسازی شده از اشیاء پنهان در پشت دیوار را به دست آورند که فقط بر مبنای تجزیه و تحلیل نورهایی است که از دیوار باز می‌گردد، درست مثل اینکه آینه‌ای در آنجا وجود داشته باشد.
اگرچه تاکنون چند تیم تحقیقاتی دیگر هم دستگاه‌های مشابهی را ارائه داده‌اند که می‌توانند کارهای این چنینی انجام دهند، اما آخرین و جدیدترین دوربینی که در مورد آن صحبت می‌کنیم بر اساس تکنیکی کاملا مبتنی بر الگوریتم کار می‌کند که توسط همان تیم طراحی شده و نیازی به تجهیزات خاص دیگری ندارد. نتایج این تحقیق در مقاله‌ای در تاریخ 23 ژانویه 2019 در نشریه نیچر منتشر شده است.

آلارد مسک، فیزیکدان اپتیکال در دانشگاه Utrecht هلند می‌گوید: "تصور اینکه که بتوانیم تصویری را تنها از تابش نور به یک دیوار و بدون استفاده از هیچ گونه ابزار پیشرفته دیگری بازسازی کنیم، تقریبا غیرممکن بود."
ویوک گویال، یکی دیگر از اعضای این تیم تحقیقاتی که مهندس برق دانشگاه بوستون ماساچوست است می‌گوید: "شگفت آور است که ببینید یک دیوار مانند آینه عمل می‌کند".  آلارد مسک، فیزیکدان اپتیکال در دانشگاه Utrecht هلند می‌گوید: "تصور اینکه که بتوانیم تصویری را تنها از تابش نور به یک دیوار و بدون استفاده از هیچ گونه ابزار پیشرفته دیگری بازسازی کنیم، تقریبا غیرممکن بود."

آینه‌ها ما را قادر می‌سازند تا بتوانیم اشیاء را ببینیم حتی زمانی که دید مستقیمی به آنها نداشته باشیم. آنها تصاویر را بازتاب می‌دهند و این به دلیل برگشت نور است (حداقل از منظر کلاسیک و غیر کوانتومی که برای اهداف عملی کاربرد دارد).

یک آینه پرتوهای نور را جذب کرده و آنها را هدایت می‌کند تا در پشت چشمان ما یک تصویر شکل بگیرد. اما هنگامی که نور به یک دیوار سفید و یا یک سطح غیر براق برخورد می‌کند، در جهت‌های تصادفی می‌شکند و پراکنده می‌شود. اطلاعات موجود در این پرتوهای نور هنوز قابل استفاده‌ می‌باشند، اما پراکنده شده‌اند. با این وجود، محققان تکنیک‌های مختلفی را برای استفاده و رمزگشایی آن کشف کرده‌اند که تا همین اواخر برای انجام این کار نیازمند ابزارهای پیچیده‌ای بودند مانند نورپردازی‌های ویژه (مثلا اسکن با لیزر)، یا دوربین‌های ویژه و یا هر دو را لازم داشتند.
 

گویال و همکارانش تصاویر را با یک ترفند متفاوت بازسازی کردند. آنها با استفاده از یک دوربین دیجیتال، عکس‌هایی از نوری که از یک دیوار برگشته بود گرفتند که نشان دهنده صفحه نمایش کامپیوتری بود که در پشت دیوار پنهان شده بود.
همانطور که در عکس می‌بینید دوربین می‌تواند با استفاده از پرتوهای نوری که روی دیوار مقابل شکل گرفته است، از مانیتوری که در سمت دیگری پنهان شده است، عکس بگیرد. همانطور که در عکس می‌بینید دوربین می‌تواند با استفاده از پرتوهای نوری که روی دیوار مقابل شکل گرفته است، از مانیتوری که در سمت دیگری پنهان شده است، عکس بگیرد.

آنها همچنین یک مانع را مثل یک صفحه تاریک یا یک صندلی، بین صفحه کامپیوتر و دیوار روبروی آن قرار دادند و این مانع از دسترسی بخشی از نور به دیوار جلوگیری کرد. آنها دریافتند که این مانع کمک می‌کند تا گسستگی و پراکندگی پرتوهای نور کمتر شود و در نتیجه الگوریتم را قادر می‌سازد تا تصاویر بهتری را از اطلاعات موجود در ذرات نور که به دوربین می‌رسند، بازسازی کند. این اصل مشابه همان قانونی است که اجازه می‌دهد دوربین‌های چشمی‌دار و چشم برخی از حلزون‌ها بتواند بدون نیاز به لنز، تصویر دقیقی را تهیه کنند: بدین صورت که اکثر پرتوهای نور را مسدود می‌کنند، به جز آنچه که از یک سوراخ باریک عبور می‌کند.

الگوریتم تیم گویال با بازسازی موقعیت مانع از طریق سایه آن، سبب بازسازی تصویر هدف مخفی شده می‌شود. گویال و همکارانش نشان دادند که این الگوریتم می‌تواند تصاویر ساده نمایش داده شده روی صفحه و حتی یک انیمیشن را بازسازی کند.
مسک می‌گوید می‌توان این را "یک نمونه زیبا از این واقعیت که گاهی اوقات یک مانع می‌تواند به یک مزیت تبدیل شود" نامید. سال گذشته گروه‌های دیگری نیز تکنیک بازسازی عکس با استفاده از دوربین‌های عادی را نشان دادند اما رویکردشان مبتنی بر شناخت شکل و موقعیت مانع بود. اما، نسخه جدید و فعلی این الگوریتم قادر است بدون نیاز به دانستن شکل مانع، تصاویر را بازسازی کند.
 

از آنجایی که تکنیک مورد استفاده در تصویر برداری با روش این تیم نیازی به استفاده از سخت افزار خاصی ندارد، پس از تکمیل و نهایی شدن، به راحتی می‌توان آن را تولید و به یک محصول کاربردی تبدیل کرد. گویال می‌گوید: " کاملا قابل تصور است که این امکان به یکی از اپلیکیشین‌های تلفن همراه تبدیل شود، اگرچه او قصد ندارد چنین کاری را انجام دهد".
گوبال می‌گوید: حقیقتا، این دوربین سرگرم کننده خواهد بود و کاربردهای فراوانی خواهد یافت.
نویسندگان پیشنهاد می‌کنند که این الگوریتم می‌تواند برای نظارت بر محیط‌های خطرناکی مانند ساختمان‌های در حال سوختن و ریزش یا در کشتی‌رانی و تعیین مسیرهای هوایی برای شناسایی «موانع مخفی» استفاده شود.