قد تكون مسرورًا بتقنية الكاميرا في أحدث هاتف ذكي لديك ، والتي يمكنها التعرف على وجهك والتقاط فيديو بالحركة البطيئة بدقة فائقة ، ولكن هذه المآثر التكنولوجية هي مجرد بداية لثورة أكبر.
يتحول أحدث بحث عن الكاميرا بعيدًا عن زيادة عدد الميجابكسل نحو دمج بيانات الكاميرا مع المعالجة الحسابية. من خلال ذلك ، لا نعني أسلوب المعالجة في Photoshop حيث تتم إضافة التأثيرات والفلاتر إلى الصورة ، بل نعني أسلوبًا جذريًا جديدًا حيث قد لا تبدو البيانات الواردة في الواقع على صورة على الإطلاق. تصبح صورة فقط بعد سلسلة من الخطوات الحسابية التي غالبًا ما تتضمن رياضيات معقدة ونمذجة كيفية انتقال الضوء عبر المشهد أو الكاميرا.
تحررنا هذه الطبقة الإضافية من المعالجة بطريقة سحرية من سلاسل تقنيات التصوير التقليدية. في يوم من الأيام ، قد لا نحتاج حتى إلى الكاميرات بالمعنى التقليدي بعد الآن. بدلاً من ذلك ، سوف نستخدم أجهزة كشف الضوء التي لم نكن نفكر فيها أبدًا في أي استخدام للتصوير قبل بضع سنوات فقط. وسيكونون قادرين على القيام بأشياء لا تصدق ، مثل الرؤية من خلال الضباب ، داخل جسم الإنسان وحتى خلف الجدران.
كاميرات أحادية البكسل
أحد الأمثلة المتطرفة هو الكاميرا أحادية البكسل ، والتي تعتمد على مبدأ بسيط جميل. تستخدم الكاميرات النموذجية الكثير من وحدات البكسل (عناصر مستشعر دقيقة) لالتقاط مشهد يُحتمل أن يضيء بمصدر ضوء واحد. يمكنك أيضًا القيام بالأشياء بالعكس ، والتقاط المعلومات من العديد من مصادر الضوء ببكسل واحد.
للقيام بذلك ، تحتاج إلى مصدر ضوء متحكم فيه ، على سبيل المثال جهاز عرض بيانات بسيط يضيء المشهد في مكان واحد في كل مرة أو بسلسلة من الأنماط المختلفة. لكل بقعة أو نمط إضاءة ، يمكنك قياس مقدار الضوء المنعكس وإضافة كل شيء معًا لإنشاء الصورة النهائية.
من الواضح أن عيب التقاط صورة بهذه الطريقة هو أنه يجب عليك إرسال الكثير من نقاط الإضاءة أو الأنماط لإنتاج صورة واحدة (والتي قد تأخذ لقطة واحدة فقط بكاميرا عادية). لكن هذا النوع من التصوير سيسمح لك بإنشاء كاميرات مستحيلة بخلاف ذلك ، على سبيل المثال تعمل بأطوال موجية من الضوء خارج الطيف المرئي ، حيث لا يمكن تحويل أجهزة الكشف الجيدة إلى الكاميرات.
يمكن استخدام هذه الكاميرات لالتقاط الصور من خلال الضباب أو تساقط الثلوج الكثيفة. أو يمكنهم تقليد عيون بعض الحيوانات وزيادة دقة الصورة تلقائيًا (مقدار التفاصيل التي تلتقطها) اعتمادًا على ما هو موجود في المشهد.
حتى أنه من الممكن التقاط صور من جزيئات الضوء التي لم تتفاعل حتى مع الكائن الذي نريد تصويره. قد يستفيد هذا من فكرة "التشابك الكمي" ، حيث يمكن ربط جسيمين بطريقة تعني أن كل ما يحدث للآخر يحدث ، حتى لو كانا على بعد مسافة طويلة. هذا له احتمالات مثيرة للاهتمام للنظر إلى الأشياء التي قد تتغير خصائصها عند الإضاءة ، مثل العين. على سبيل المثال ، هل تبدو شبكية العين متشابهة في الظلام كما في الضوء؟
التصوير متعدد المستشعرات
يعد التصوير أحادي البكسل أحد أبسط الابتكارات في تقنية الكاميرا القادمة ويعتمد ، في ظاهرها ، على المفهوم التقليدي لما يشكل الصورة. ومع ذلك ، نشهد حاليًا زيادة في الاهتمام بالأنظمة التي تستخدم الكثير من المعلومات ، ولكن الأساليب التقليدية لا تجمع سوى جزء صغير منها.
هذا هو المكان الذي يمكننا فيه استخدام مناهج أجهزة الاستشعار المتعددة التي تتضمن العديد من أجهزة الكشف المختلفة الموجهة في نفس المشهد. كان تلسكوب هابل مثالًا رائدًا على ذلك ، حيث أنتج صورًا مصنوعة من مجموعات من العديد من الصور المختلفة التي تم التقاطها بأطوال موجية مختلفة. يمكنك شراء إصدارات تجارية من هذا النوع من التكنولوجيا ، مثل كاميرا Lytro التي تجمع معلومات حول شدة الضوء واتجاهه على نفس المستشعر ، لإنتاج صور يمكن إعادة تركيزها بعد التقاط الصورة.
من المحتمل أن تبدو كاميرا الجيل التالي مثل كاميرا Light L16 (أعلاه). تتميز هذه الكاميرا بتقنية رائدة تعتمد على أكثر من عشرة أجهزة استشعار مختلفة. يتم دمج بياناتهم باستخدام جهاز كمبيوتر لتوفير صورة بجودة احترافية تبلغ 50 ميجا بايت ، ويمكن إعادة التركيز عليها وإعادة تكبيرها. تبدو الكاميرا نفسها وكأنها تفسير مثير للغاية لبيكاسو لكاميرا الهاتف الخلوي المجنونة.
ومع ذلك ، فهذه ليست سوى الخطوات الأولى نحو جيل جديد من الكاميرات التي ستغير الطريقة التي نفكر بها ونلتقط الصور. يعمل الباحثون بجد على مشكلة الرؤية من خلال الضباب ، والرؤية خلف الجدران ، وحتى التصوير في أعماق جسم الإنسان ودماغه. تعتمد كل هذه التقنيات على دمج الصور مع النماذج التي تشرح كيفية انتقال الضوء عبر المواد المختلفة أو حولها.
طريقة أخرى مثيرة للاهتمام تكتسب الأرض تعتمد على الذكاء الاصطناعي "لتعلم" التعرف على الأشياء من البيانات. هذه التقنيات مستوحاة من عمليات التعلم في الدماغ البشري ومن المرجح أن تلعب دورًا رئيسيًا في أنظمة التصوير المستقبلية.
تنضج تقنيات الفوتون الفردي والتصوير الكمي أيضًا لدرجة أنها تستطيع التقاط صور بمستويات إضاءة منخفضة بشكل لا يصدق ومقاطع فيديو بسرعات عالية لا تصدق تصل إلى تريليون إطار في الثانية. هذا يكفي حتى لالتقاط صور للضوء نفسه ينتقل عبر المشهد.
قد تتطلب بعض هذه التطبيقات القليل من الوقت للتطوير الكامل ولكننا نعلم الآن أن الفيزياء الأساسية يجب أن تسمح لنا بحل هذه المشاكل وغيرها من خلال مزيج ذكي من التكنولوجيا الجديدة والإبداع الحسابي.
دانييل فاكيو أستاذ تقنيات الكم بجامعة جلاسكو. ستيفن ماكلولين هو رئيس كلية الهندسة والعلوم الفيزيائية بجامعة هيريوت وات. تم نشر هذه المقالة في الأصل المحادثة.
