ابتكر المهندسون كاميرا ثلاثية الأبعاد على غرار عيون العنكبوت القافز

على أساس المواد جامعة نورث وسترن (الولايات المتحدة الأمريكية) قدم المهندسون نظام SpiderCam، وهي كاميرا ثلاثية الأبعاد مدمجة تولد خرائط عمق في الوقت الفعلي وتستهلك أقل من واط واحد من الطاقة. يتم نشر النتائج أيضًا على خادم الطباعة المسبقة arXiv.

المبدأ البيولوجي الذي تقوم عليه التكنولوجيا

نشأت الفكرة أثناء دراسة رؤية العناكب القافزة. تُجبر هذه المفصليات على تقدير المسافة إلى الهدف بدقة قبل القفز، على الرغم من الموارد الحسابية المحدودة للغاية للجهاز العصبي.

تكمن خصوصية رؤيتهم في البنية المتعددة الطبقات لشبكية العين. تلتقط كل طبقة الصورة بتركيز مختلف قليلاً. ونتيجة لذلك، يتلقى العنكبوت عدة نسخ من نفس المشهد في وقت واحد – حادة وغير واضحة قليلاً – ويستخدم الفرق بينها لتقدير العمق.

يكرر SpiderCam هذا المبدأ بشكل تقني. تلتقط الكاميرا صورتين لنفس المشهد مع تغيير طفيف في التركيز. تقوم الخوارزمية بعد ذلك بتحليل الاختلافات في دقة الخطوط والأنسجة، وتفسيرها على أنها المسافة إلى الأشياء. يحل هذا الأسلوب محل الأساليب الأكثر استهلاكًا للموارد للرؤية المجسمة والمسح النشط.

كيف تعمل معالجة الصور؟

أحد العناصر الأساسية للنظام هو التخلي عن الحوسبة الثقيلة الكلاسيكية على المعالج المركزي. وبدلاً من ذلك، قام المهندسون بنقل المعالجة إلى FPGA (مصفوفة البوابة القابلة للبرمجة الميدانية)، والتي تسمح بإجراء العمليات المتخصصة بالتوازي وبأقل استهلاك للطاقة.

تعمل الخوارزمية في الواقع كمحول بين التمويه والعمق. فهو يسلط الضوء على حدود الكائنات، ويقدر درجة عدم التركيز، ويبني خريطة ثلاثية الأبعاد للمشهد في الوقت الفعلي.

وفي النموذج الأولي للاختبار، يحقق النظام 32.5 إطارًا في الثانية ويستهلك حوالي 624 ميلي واط. وفقًا للمطورين، تعد هذه واحدة من أولى كاميرات FPGA ثلاثية الأبعاد السلبية التي تعمل باستمرار تحت عتبة الواحد واط.

حدود الأنظمة ثلاثية الأبعاد التقليدية

تعتمد الطرق التقليدية للحصول على العمق على طريقتين.

• الأول هو الرؤية المجسمة، حيث تتم مقارنة الصور من زوايا مختلفة.
• والثاني هو الأنظمة النشطة التي تعرض أنماط الضوء وتحلل انعكاسها.

يتطلب كلا الخيارين حسابات كبيرة أو استهلاكًا إضافيًا للطاقة. وهذا يجعلها أقل ملاءمة للأجهزة خارج الشبكة، خاصة تلك التي تحتاج إلى التشغيل بطاقة البطارية لفترات طويلة من الزمن.

تتجنب SpiderCam هذه المشكلات من خلال الاعتماد على اختلافات التركيز البصري بدلاً من هندسة المشهد أو الإضاءة النشطة.

لماذا القفز العناكب؟

وفقًا للمؤلفة الرئيسية للدراسة إيما ألكسندر، فإن العناكب القافزة تحظى باهتمام المهندسين بسبب مزيجها من الرؤية الدقيقة والحد الأدنى من الموارد البيولوجية.

وأوضحت: “العناكب القافزة تقفز للقبض على الفرائس وتجنب الحيوانات المفترسة والتحرك، وللقيام بذلك فإنها تحتاج إلى رؤية ممتازة. لكن أدمغتها صغيرة جدًا – بحجم بذرة الخشخاش تقريبًا – لذا يتعين عليها حساب المسافات بأكبر قدر ممكن من الكفاءة”.

لاحظ الباحثون أن النظام البيولوجي لا يسعى لإعادة بناء الصورة بشكل مثالي. وبدلا من ذلك، فإنه يحل مشكلة أضيق: تقدير المسافة. تم نقل هذا المبدأ إلى النموذج الهندسي.

التطبيقات الممكنة للتكنولوجيا

يعتبر المطورون SpiderCam أساسًا للأجهزة التي يكون فيها استهلاك الطاقة المنخفض أمرًا بالغ الأهمية. ومن بينها الأجهزة القابلة للارتداء، والروبوتات المستقلة، والطائرات بدون طيار، وأنظمة الواقع المعزز.

من الأمور ذات الأهمية الخاصة التطبيق في الظروف التي لا يكون فيها الإمداد المستمر بالطاقة أو موارد الحوسبة القوية ممكنًا. على سبيل المثال، في أجهزة الاستشعار الميدانية أو أجهزة الملاحة المدمجة. نظرًا لانخفاض استهلاك الطاقة، من المحتمل أن تسمح هذه التقنية بزيادة عمر بطارية الأجهزة دون تقليل دقة الإدراك المكاني.

ويخطط الفريق لتصغير النظام بشكل أكبر. على وجه الخصوص، يتم النظر في إنشاء شريحة متخصصة من شأنها أن تحل محل FPGA وتقليل استهلاك الطاقة بشكل أكبر.

وتقول إيما ألكسندر إن ما يثير الاهتمام بشكل خاص هو السيناريوهات التي يكون فيها الوصول إلى الطاقة محدودًا أو غير مستقر.

وأشارت إلى أنه “على سبيل المثال، يمكن استخدامه في الظروف الميدانية ذات إمدادات الطاقة المحدودة. بالإضافة إلى ذلك، يعد هذا واعدًا بشكل خاص للواقع المعزز، حيث من المهم أن نفهم بدقة موضع الأشياء حول المستخدم”.

ابتكر المهندسون روبوتًا فريدًا على شكل قنفذ البحر

تم تشغيل أجنحة الفراشة الآلية بواسطة مضخة معدنية سائلة دقيقة – فيديو