دنیای دوربین
 از اتم تا کهکشان
ابعاد یک دوربین چه اندازه باید باشد؟ آن‌چه ما به‌عنوان افراد عادی جامعه از یک دوربین انتظار داریم، ابزاری است که بتوان به‌راحتی آن را حمل کرد، کار با آن ساده باشد و نیازهای ما را برطرف کند. اما کاربردهایی هم وجود دارد که در آن به دوربین‌هایی با ابعاد بسیار متفاوت نیاز است؛ دوربین‌هایی به ابعاد یک خودرو کوچک گرفته تا دوربینی به ضخامت چند اتم. در بخش «دنیای دوربین» این شماره اشاره‌ای به چنین دوربین‌هایی خواهیم داشت. گستردگی کاربرد فناوری‌های تصویرگیری، همواره سبب شده است تا علاوه بر تلاش برای یافتن راه‌های جدید برای ساخت ابزارها، برای پردازش داده‌های حاصل هم راه‌کارهای جدیدی اندیشیده شود. به‌عنوان مثال، در این بخش به دوربینی اشاره می‌شود که قادر است تصاویری با کیفیت 32 هزار مگاپیکسل تهیه کند. بحث پردازش تصاویر چنین دوربینی به‌خودی خود یک موضوع تحقیقی جذاب است. از طرفی، به امکان ویرایش تصاویر با استفاده از «کلمات کلیدی» اشاره‌ای خواهیم داشت. این موضوع هم یکی از بحث‌های جذابی است که خیلی درباره آن می‌شنویم. این‌که سیستم‌هایی طراحی شوند تا بدون دخالت انسان محتوای تصاویر را تشخیص دهند. در نمونه ذکر شده در این بخش، با سیستمی مواجه هستیم که از طریق ارائه تصاویر آموزش می‌بیند و اکنون قادر است عکس‌های جدید را دریافت و براساس خواست کاربر آن‌ها را به‌درستی ویرایش کند.

ویرایش عکس با کلمات کلیدی
ظاهر مناظر طبیعی بسته به ساعت‌ها‌ و فصل‌هایی که از آن عکاسی می‌شود، متفاوت است. گروهی از محققان دانشگاه براون روشی ارائه کرده‌اند که با آن می‌توان با به‌کار بردن کلمات کلیدی، تصویر یک منظره را ویرایش و در ظاهر آن تغییر ایجاد کرد. در این پروژه، هدف این بوده است که با وارد کردن جمله‌ای نظیر «این عکس را طوری تغییر بده که ظاهری آفتابی و برفی داشته باشد» تصویر ویرایش شود. به‌عنوان مثال، اگر شما از منظره‌ای در بهار عکس گرفته باشید، می‌توانید با وارد کردن واژه‌هایی نظیر «برفی»، «پاییزی»، «غروب» یا «مه‌آلود» منظره عکس را به فصل یا ساعت دیگری از روز تبدیل کنید. محققان برای این کار نرم‌افزار ویرایش عکس را با استفاده از یک پایگاه داده آموزش داده‌اند. پس از این مرحله آموزش، سیستم قادر است بدون کمک تصاویر جدید را براساس کلمه کلیدی ویرایش کند که کاربر تعیین می‌کند و همان طور که گفته شد، به‌طور مثال یک منظره بهاری را به یک منظره پاییزی و حتی برفی تبدیل کند.

 شکل 1: سمت چپ تصویر ورودی است که براساس کلمات کلیدی می‌توان آن را ویرایش کرد. با استفاده از کلمات کلیدی نظیر «پاییز»، «زمستان» یا «شب» تصاویر سمت راست حاصل شده است.

پایگاه داده مورد استفاده برای آموزش این نرم‌افزار، شامل هزاران تصویر تهیه شده از 101 وب‌کم است که به‌طور دستی و با مشارکت علاقه‌مندان، براساس چهل ویژگی تعریف شده برچسب‌گذاری شده‌اند. در ظاهر یک منظره موارد زیادی تأثیرگذار هستند؛ نظیر نور، شرایط جوی و فصل. همین جزییات بصری در یک منظره آن را برایمان جذاب می‌کند و برای باورپذیر شدن ویرایش یک عکس و تغییر ظاهر منظره باید این جزییات مورد توجه قرار بگیرند. این چهل ویژگی مواردی نظیر آب و هوا (سرد، برفی و...)، نور (آفتابی و...)، زمان (غروب)، فصل (پاییز) و برخی موارد جزیی‌تر را دربر می‌گیرد. باید توجه داشت که به‌طور مثال تبدیل یک منظره بهاری به منظره برفی فقط به تبدیل رنگ‌ها از سبز به سفید محدود نیست. بلکه جزییات تصویر نظیر رنگ آسمان، بازتاب‌ها و مواردی از این دست باید به‌درستی تغییر داده شوند تا نتیجه کار باورپذیر باشد.

دوربینی به اندازه یک خودرو
محققان آزمایشگاه SLAC روی ساخت دوربینی به وزن بیش از سه تن و کیفیت تصویربرداری 32 هزار مگاپیکسل کار می‌کنند که قدرتمندترین دوربین دیجیتال دنیا است و به تهیه تصاویری با پهنای بیش‌تر از اعماق فضا و با سرعت بیش‌تر قادر خواهد بود. این دوربین که LSST (سرنام Large Synoptic Survey Telescope) نام دارد و کار خود را از سال 2022 آغاز خواهد کرد، بخش مهمی از استراتژی بلندمدت مطالعه انرژی تاریک و سایر مباحث علمی محسوب می‌شود. انتظار می‌رود با شروع کار این ابزار، سالانه شش میلیون گیگابایت داده از این طریق جمع‌آوری شود. محققان امیدوارند از این داده‌ها برای به‌دست آوردن اطلاعات بیش‌تری از شکل‌گیری کهکشان‌ها، ردیابی اجرام فضایی خطرآفرین برای زمین و بررسی انفجار ستاره‌ها استفاده کنند. همچنین، این دوربین ابزاری برای حل معمای ماده تاریک و انرژی تاریک خواهد بود که بیش از 95 درصد دنیای ما را تشکیل داده است.

 شکل 2: بالا: طرحی از دوربین LSST    پایین: طرحی از محل نصب دوربین

در مطالعاتی به این حجم، تنها در اختیار داشتن یک دوربین قدرتمند کارساز نیست؛ زیرا بعد از تهیه چنین دوربینی مشکل آغاز می‌شود: «مدیریت داده‌های حاصل از این ابزار.» مدیریت داده در چنین آرشیو عظیمی، بخش مهمی از پروژه LSST محسوب می‌شود. استخراج اطلاعات قابل استفاده از این داده‌ها در یک زمان قابل قبول، چالشی است که باید تا زمان راه‌اندازی این دوربین راه‌کاری برای آن بیاندیشند و ابزارهای محاسباتی جدیدی برای آن طراحی شود. یاچک بکلا که گروهش در آزمایشگاه SLAC روی طراحی پایگاه داده این تلسکوپ کار می‌کنند، می‌گوید: «در دنیا تنها چند شرکت نظیر گوگل و فیس‌بوک هستند که می‌توانند از پس کار با چنین حجمی از داده‌ها برآیند.» برای آمادگی مقابله با چنین چالشی، SLAC کارگاه‌های آموزشی برگزار کرده است و حدود 160 کارشناس را برای کار روی سخت‌افزار و نرم‌افزاری که قادر به پشتیبانی از LSST باشد، گرد هم آورده است. 
جست‌وجوی اطلاعات خاص در پایگاه داده‌ای بسیار بزرگ مشکلی است که باید حل شود. این گروه انتظار دارند که روزانه بیش از یک میلیون درخواست جست‌وجو از محققان دریافت کنند. بکلا می‌گوید: «ممکن است برخی از این درخواست‌ها بسیار پیچیده باشند. به‌عنوان مثال، چیزی شبیه این‌که تمام ستاره‌های قرمز را در نزدیکی کوآزارها در کل پهنه آسمان پیدا کنید. به‌یقین چنین جست‌وجویی باید به اندازه کافی سریع باشد تا کشفیات با سرعت مناسبی صورت بگیرد.» زمان هم عامل مهمی است، به‌ویژه در مواردی که وقوع یک رویداد باید سریعاً به اطلاع دانشمندان برسد.

حس‌گری به ضخامت اتم
استفاده از ماده حساس به نور که بتوان آن را به‌طور مناسب در مدارهای دوبعدی الکترونیکی جای داد، هدف بسیاری از محققان بوده است. حس‌گرهای تصویربرداری (CCD) سنتی ضخیم و بزرگ هستند و ترکیب آن‌ها با قطعات دوبعدی امکان‌پذیر نیست. اخیراً ماده‌ای به ضخامت فوق‌العاده کم (در حد اتم)، شفاف و انعطاف‌پذیر توسط محققان دانشگاه رایس تولید شده است که می‌توان آن را نازک‌ترین پلتفرم تصویربرداری نامید. این ماده که متشکل از لایه‌ای از اتم‌های مس، ایندیوم و سلنیوم است و به‌اختصار CIS نامیده می‌شود، ویژگی‌های شناسایی نور بسیار مناسبی را در مقایسه با سایر مواد مشابه از خود نشان می‌دهد.

 شکل 3: نمونه اولیه از حس‌گر سه پیکسلی مبتنی بر CIS

پیکسل‌های CIS الکترون‌هایی را که در اثر برخورد نور تشکیل می‌شوند، به‌دام انداخته و از آن‌جا که این الکترون‌های به‌دام افتاده به‌آهستگی پراکنده می‌شوند، قادر است آن‌ها را تا زمان ذخیره‌سازی حفظ کند. به دلیل این‌که این ماده شفاف است، یک اسکنر مبتنی بر CIS می‌تواند برای تصویرگیری از سوژه نور را از خود عبور دهد. چنین ماده‌ای در حوزه پزشکی کاربردهایی خواهد داشت. از طرفی، انعطاف‌پذیری چنین حس‌گری این امکان را ایجاد می‌کند که بر سطح کانونی لنز سیستم تصویرگیری منطبق می‌شود و امکان تصحیح انحرافات را به‌طور لحظه‌ای فراهم می‌کند و در نتیجه می‌توان سیستم نوری بسیار ساده‌تری را اجرا کرد. انواع CCD مبتنی بر CIS شفاف، انعطاف‌پذیر و فوق‌العاده نازک هستند و یکی از حلقه‌های گمشده در ساخت ابزارهای تصویربرداری دوبعدی محسوب می‌شوند.

ابزاری برای کالیبره کردن نمایش‌گر
شاید برای شما هم اتفاق افتاده باشد که عکسی را در کامپیوتر ویرایش یا طرحی را رسم کرده‌اید، ولی پس از چاپ متوجه می‌شوید رنگ چاپ شده با آن چیزی که روی نمایش‌گر کامپیوتر خود می‌دیدید بسیار متفاوت است. یکی از دلایل مهم بروز چنین مشکلی، تنظیم نبودن ویژگی‌های بصری نمایش‌گر یا به‌اصطلاح کالیبره نبودن آن است. کالیبره کردن نمایش‌گر یکی از موارد مهم در کارهای گرافیکی است؛ زیرا نمایش‌گرها در صورت تنظیم نبودن، رنگ‌هایی بسیار متفاوت ارائه می‌دهند و ممکن است شما تصویری را در یک نمایش‌گر به یک رنگ ببینید و در نمایش‌گر دیگر (که ممکن است یک تبلت، اسمارت‌فون یا حتی یک تلویزیون باشد) به رنگی دیگر. شرکتی به‌نام Datacolor برای حل چنین مشکلی و تسهیل کالیبره کردن نمایش‌گر، راه‌کاری تحت عنوان Spyder ارائه کرده است.

 شکل 4: الف) نحوه قرار دادن Spyder روی نمایش‌گر

ب) Spyder در حال کار

این راه‌کار در واقع ابزار کوچکی است که از طریق پورت یواس‌بی به کامپیوتر متصل می‌شود و خود این ابزار روی نمایش‌گر قرار می‌گیرد. Spyder با تحلیل موارد مهم در کالیبره کردن نمایش‌گر نظیر میزان نور محیطی و با استفاده از نرم‌افزار نصب شده روی کامپیوتر، میزان خروجی نور نمایش‌گر را تحلیل و آن را تنظیم می‌کند. کار با این ابزار به‌واسطه نرم‌افزار تهیه شده برای آن بسیار ساده است و امکان استفاده روی انواع نمایش‌گر‌ها و حتی تبلت را نیز دارد. سری Spyder 5 در سه مدل Express ،Pro و ELITE به بازار عرضه شده است.

 ج) ابزار Spyder از شرکت Datacolor

 

برچسب: