تبدیل چشم انسان به دوربین دید در شب!

خبرگزاری مهر: گروهی از محققان در آمریکا قطره چشمی عجیبی ساخته‌اند که قدرت بینایی فرد در تاریکی شب را تا حد زیادی افزایش می‌دهد.

این گروه که به آنها هکرهای زیستی نیز گفته می‌شود معتقدند با این فناوری جدید توانایی دید انسان در شب هنگام و زمانی که منبع نوری وجود ندارد بهبود چشمگیری خواهد یافت.

از این رو آنها عنوان تبدیل چشم انسان به دوربین دید در شب را برای نوآوری جدید خود برگزیده‌اند.

ساختار ماده شیمیایی که در محلول قطره چشمی این گروه به کار رفته هنوز در مراحل ابتدایی خود قرار دارد اما نتایج آزمایشهای صورت گرفته امیدوارکننده بوده است.

آنها برای تهیه این محلول از Chlorin e6 استفاده کرده‌اند که در چشم ماهی های ساکن اعماق اقیانوسها وجود دارد. این ترکیب ویژه به ماهی ها کمک می‌کند تا در تاریکی مطلق این نقاط، محیط اطراف خود را مشاهده کنند.

تا پیش از این نیز از این ترکیب برای کمک به کم‌بینایان استفاده شده است و حالا به نظر می‌رسد کاربرد جالب توجه دیگری برای آن پیدا شده باشد.

عکاسی: چرا نمی‌توانیم دوربین خود را به هر سویی که در حال تماشای آن هستیم بگیریم و آن تصویر را ثبت کنیم؟ این سوال به ظاهر ساده‌ای است. در عین حال پاسخ به آن بسیار پیچیده بوده و برای پاسخگویی نه تنها نحوهٔ ثبت تصویر توسط دوربین بلکه نحوهٔ کارکرد چشم انسان را باید بررسی نمود. پاسخگویی به چنین سوالی سبب آشکار شدن حقایق شگفت‌آوری از درک هر روز ما از جهان پیرامون می‌شود.

چشمان ما قادر هستند تا به یک صحنه بنگرند و در‌‌ همان حال براساس موضوع در حال رویت، خود را تنظیم کنند. این در حالی است که دوربین عکاسی تنها یک نمای مشخص را ثبت می‌کند. این ویژگی چشم انسان عامل بسیاری از برتری‌هایی است که ما از چشم خود نسبت به دوربین عکاسی می‌شناسیم. به عنوان مثال چشمان ما قادرند میزان روشنایی تصویر را بر اساس سوژه‌های مختلف که بر آن فوکوس کرده‌ایم جبران کنند، می‌توانند به اطراف بچرخند و به این طریق زاویهٔ دید را افزایش دهند و یا به صورت پیاپی بر سوژه‌هایی با فواصل مختلف فوکوس کنند.

فرآیند دیدن بوسیله چشم بیشتر به یک دوربین فیلمبرداری شبیه است به این معنا که مغز تصاویر مرتبط به یکدیگر را به منظور استخراج یک تصویر نهایی پردازش می‌کند. در مجموع می‌توان گفت که سیستم بینایی انسان به دلیل زیر بی‌نظیر است: آنچه که ما می‌بینیم در واقع تصویری است بازسازی شده توسط ذهن بر اساس ورودی‌هایی که توسط چشم تامین شده است و این تصویر دقیقا نتیجه نور رسیده به چشم‌ها نیست.


بررسی تفاوت‌ها

در این مقاله به سه تفاوت میان دوربین و چشم انسان می‌پردازیم:

۱. زاویهٔ دید

۲. رزولوشن و جزئیات تصویر

۳. رنج (محدوده) دینامیکی

این سه مورد در واقع موضوعاتی هستند که بیشترین تفاوت میان چشم و دوربین را می‌توان در آن‌ها جست. هرچند موضوعات دیگری نیز هستند مانند عمق می‌دان، تراز سفیدی و فضای رنگ که در این مقاله مورد بحث قرار نمی‌گیرند.

زاویه دید

در دوربین این پارام‌تر توسط فاصلهٔ کانونی لنز (همچنین اندازه سنسور دوربین) تعیین می‌شود. به عنوان مثال یک لنز تله فاصلهٔ کانونی بزرگتری داشته و بنابراین دارای زاویه‌‎ی دید بسته‌تری در مقایسه با یک لنز پرترهٔ استاندارد می‌باشد. شکل زیر نحوهٔ تاثیر فاصلهٔ کانونی را بر زاویهٔ دید به سادگی نشان می‌دهد.


متاسفانه در مورد چشم نمی‌توان به این راحتی اظهار نظر کرد. با وجود اینکه چشمان ما دارای فاصلهٔ کانونی حدود ۲۲ میلیمتری هستند اما باید توجه کرد که اولا شبکیه یعنی محل تصویر در چشم کروی بوده و انحنا دارد و ثانیا نواحی کناری میدان دید ما نسبت به مرکز دارای توانایی ثبت جزئیات کمتری است و همچنین تصویری که می‌بینیم نتیجهٔ ترکیب دید هر دو چشم است.

بسته به اینکه دیدن سوژه توسط چشم را چگونه تعریف کنیم، هر چشم به تنهایی دارای زاویهٔ دیدی از ۱۲۰ تا ۲۰۰ درجه است. در دیدن با دو چشم، ناحیهٔ مشترک میان هر دو چشم حدود ۱۳۰ درجه است که معادل زاویه دید یک لنز فیش‌آی است. به دلایل مربوط به سیر تکامل بشر، دید کناری تنها برای حس کردن حرکت و دیدن اشیای بزرگ کاربرد دارد. اگر قرار باشد زاویه دید چشم را (۱۳۰ درجه) در یک دوربین به دست بیاوریم تصویر به شدت تغییر شکل یافته و غیرطبیعی می‌شود.


ناحیهٔ مرکزی دید چشم که حدود ۴۰ تا ۶۰ درجه است، بیشترین تاثیر را در شناخت و درک ما از سوژه دارد. این ناحیه محلی است که در آن می‌توانیم اشیا را بدون حرکت دادن چشمان به خاطر آورده و شناسایی کنیم. این زاویهٔ دید تقریبا مشابه یک لنز ۵۰ میلیمتری نرمال (مقدار دقیق آن ۴۳ میلیم‌تر است) بر روی یک دوربین فول فریم است. گرچه این لنز تمام زاویهٔ دیدی که چشمان ما می‌بینند را ایجاد نمی‌کند، اما به لحاظ میزان تغییر شکل تصویر، تصویری مشابه آنچه چشم می‌بیند را بر روی سنسور دوربین ثبت می‌کند.

همانطور که می‌دانیم در یک لنز با زاویهٔ دید بزرگ (واید) نسبت اندازهٔ ظاهری اشیا به صورت اغراق‌آمیزی در می‌آید. از طرف دیگر در یک لنز با زاویهٔ دید تنگ‌تر (لنز تله) اشیا دارای اندازه ظاهری برابر با هم می‌شوند و بنابراین حس عمق از تصویر گرفته می‌شود. (برای فهم این مطلب به شکل زیر مراجعه کنید. دقت کنید که اندازه واقعی هر دو می‌له یکسان است اما اندازه ظاهری آن‌ها بسته به فاصلهٔ کانونی لنز متفاوت است.)


در مقایسه می‌توان گفت با وجود اینکه چشمان ما تصویری تغییرشکل‌یافته را ثبت می‌کنند اما ذهن این تصویر را به صورت یک تصویر بدون تغییر شکل تفسیر می‌کند.

 رزولوشن و جزئیات تصویر

بیشتر دوربین‌های دیجیتال دارای رزولوشن ۵ تا ۲۰ مگاپیکسل هستند که گفته می‌شود در برابر سیستم بینایی ما بسیار کمتر است. علت این است که در دید ۲۰/۲۰ (چشم سالم) با فرض زاویهٔ دید ۶۰ درجه‌ای، چشم می‌تواند معادل ۵۲ مگاپیکسل را تفکیک کند.

این محاسبات تا حدودی گمراه‌کننده هستند. تنها دید مرکزی ما دارای دید ۲۰/۲۰ است و بنابراین نمی‌توانیم با یک نگاه این مقدار جزئیات را تشخیص دهیم. با دور شدن از مرکز تصویر توانایی بینایی ما به شدت کاهش می‌یابد. به گونه‌ای که در تنها ۲۰ درجه خارج از مرکز، چشمان تنها می‌توانند یک دهم جزئیات را در مقایسه با مرکز تشخیص دهند. در لبهٔ تصویر نیز ما تنها قادر به تشخیص اجسام بزرگ با کنتراست بالا با اشباع رنگی کم هستیم. شکل زیر نمایشی است از آنچه ما توسط چشمانمان می‌بینیم.


با احتساب واقعیت فوق ما در یک نگاه توسط چشمانمان (بسته به قدرت بینایی) قادر به تشخیص جزئیاتی معادل یک دوربین ۵ تا ۱۵ مگاپیکسل هستیم. علاوه بر این ذهن ما تصویر را پیکسل به پیکسل به خاطر نمی‌سپارد و تنها بافت‌ها، رنگ و کنتراست تصویر را ثبت می‌کند.

به منظور تشکیل تصویر در ذهن، چشمان ما به صورت متوالی و با سرعت بالا بر روی چند ناحیه مورد توجه فوکوس می‌کنند. این عمل در ‌‌نهایت سبب ادراک ما از تصویری که در حال مشاهده آن هستیم می‌شود. شکل زیر این موضوع را نشان می‌دهد:

تفاوت‌های دیگر چشمان ما در ثبت جزئیات عبارتند از:

عدم تقارن: هر چشم جزئیات بیشتری در زیر خط بینایی نسبت به بالای آن تشخیص می‌دهد. همچنین دید جانبی در جهاتی که از بینی دور‌تر باشد حساسیت بیشتری دارد. این در حالی است که دوربین تقریبا در تمام جهات تصویر یکسانی ثبت می‌کند.

دید شب: در زمان دید با نور بسیار کم مثلا زیر نور ماه، چشمان ما تنها به صورت تک‌فام قادر به دیدن هستند. تحت این شرایط دید مرکزی به نسبت دید جانبی جزئیات کمتری ثبت می‌کند. باید توجه کرد که در شرایط دید با نور کم چشمان ما از سلول‌های متفاوتی در شبکیه برای انتقال تصویر به مغز استفاده می‌کنند.

رنج دینامیکی: تعریف دقیق رنج دینامیکی به وسیلهٔ مورد بررسی بستگی دارد. به عنوان مثال رنج دینامیکی یک پرین‌تر جوهر افشان اختلاف میان روشن‌ترین و تاریک‌ترین نقاط موجود در پرینت نهایی است. در این حالت از آنجا که سفید‌ترین نقطه در واقع محلی است که در آنجا جوهری بر روی کاغذ پاشیده نشده است، پس رنج دینامیکی یک پرینتر از یک سو توسط کاغذ و از سمت دیگر توسط کارتریج آن تعیین می‌شود. اما رنج دینامیکی وسایل ثبت تصویر مانند چشم عبارتست از حداکثر اختلاف قابل درک در روشنایی میان روشن‌ترین و تاریک‌ترین نقطه تصویر قبل از اینکه آن نقاط کاملا سفید و یا کاملا سیاه شوند. رنج دینامیکی پارامتری است که چشمان ما در آن برتری بزرگی دارند.

اگر شرایطی را در نظر بگیریم که در آن مردمک چشمان ما برای دیدن مناطق تاریک و روشن باز و بسته می‌شود، در اینصورت چشمان ما دارای رنج دینامیکی معادل ۲۴ استاپ هستند. منظور از این جمله این است که اگر ما یک بار در مثلا یک زیرزمین کاملا تاریک قرار بگیریم و یک بار دیگر در زیر تابش مستقیم آفتاب باشیم، فاصلهٔ میان روشن‌ترین تا تاریک‌ترین نقاط قابل درک برابر ۲۴ استاپ یعنی ۲ به توان ۲۴ برابر است.

اما در این حالت چشم‌ها مانند دوربین فیلمبرداری با تغییر قطر مردمک در حال تنظیم کردن خود هستند و بنابراین مقایسهٔ آن با دوربین عکاسی صحیح نیست. شکل زیر تاثیر باز و بسته شدن مردمک را در تغییر میزان نور رسیده به چشم نشان می‌دهد.


اما اگر زمانی را در نظر بگیریم که قطر مردمک ثابت است و در این حالت نسبت روشنایی نقاط روشن به تاریک را حساب کنیم، طبق پیش‌بینی‌های صورت گرفته در این حالت چشمان ما قادرند بین ۱۰ تا ۱۴ استاپ را بدون از دست رفتن جزئیات تصویر ثبت کنند. این محدودهٔ دینامیکی از دوربین‌های کامپکت (۵ تا ۷ استاپ) بیشتر و تقریبا برابر با رنج دینامیکی دوربین‌های پیشرفته SLR (بین ۸ تا ۱۱ استاپ) است. باید توجه کرد که رنج دینامیکی چشمان مابه مقدار روشنایی کلی تصویر در حال رویت نیز وابسته است. به این معنا که در دیدن زیر نور ماه (دید شب) رنج دینامیکی چشم افزایش می‌یابد.

نتیجه‌گیری

ممکن است ایراد گرفته شود که اصلا مقایسه میان دوربین و چشم انسان مقایسه صحیحی نباشد. زیرا دوربین‌ها نیاز به استانداردهای متفاوتی نسبت به چشم دارند. آن‌ها باید تصویری واقع‌گرایانه ارائه دهند. چون در یک عکس چاپ شده نمی‌توان تعیین کرد که چشم بیننده بر روی کدام قسمت آن متمرکز می‌شود و فوکوس می‌کند، تصویر باید در بر دارنده حداکثر جزئیات در تمام نواحی باشد. این مطلب به خصوص در مورد عکس‌های سایز بزرگ و یا عکس‌هایی که از نزدیک مشاهده می‌شوند، صدق می‌کند. هرچند که بررسی قابلیت‌های دوربین عکاسی به این شکل می‌تواند مفید باشد.

به طور کلی می‌توان گفت که بیشتر مزیت‌های سیستم بینایی ما از این حقیقت سرچشمه می‌گیرد که ذهن ما توانایی دارد تا اطلاعات رسیده از چشمان را به صورت هوشمندانه تفسیر نماید. این در حالی است که در دوربین فقط یک عکس خام موجود است. با این وجود، دوربین‌های عکاسی امروزی در موارد بسیاری از زمینه‌های ثبت تصویر از چشمان ما پیشی می‌گیرند. برندهٔ حقیقی عکاسی است که بتواند تصاویر مختلف از دوربین عکاسی را به صورتی هوشمندانه ترکیب کند و به این ترتیب بتواند حتی در مقابسه با تصویر موجود در ذهن نیز تصویر بهتری ارائه دهد.