واحد خبر mobile.ir : یک سنسور تصویری استاندارد – که میلیاردها از آن امروزه تقریبا روی هر گوشی هوشمندی یافت می‌شود – می‌تواند شدت نور و رنگ را ثبت کنند. با اتکا به تکنولوژی متداولی که با نام CMOS شناخته می‌شود، این سنسورها در گذر زمان کوچک‌تر و قدرتمندتر شده و اکنون در رزولوشن‌های چند ده مگاپیکسلی موجودند. اما با وجود این پیشرفت‌ها، سنسورهای امروزی فقط دو بعد را می‌بینند و در نتیجه حاصل کار آنها عکس‌هایی تخت و صاف است (درست مثل یک نقاشی). اما پژوهشگران دانشگاه استنفورد به‌تازگی از ابداع روشی خبر دادند که به موجب آن همین سنسورهای تصویری می‌توانند دید سه‌بعدی داشته باشند (یعنی قادر به تشخیص فاصله بین دوربین تا سوژه خواهند بود).

اندازه‌گیری فاصله بین اجسام توسط نور، در حال حاضر فقط با استفاده از سیستم‌هایی خاص و البته گران‌قیمت موسوم به lidar امکان‌پذیر است. lidar کوتاه‌شده “light detection and raging” به معنای «تشخیص نور و فاصله‌یابی» بوده و می‌توانیم از آن با عنوان «لایدار» یا رادار لیزری یاد کنیم. نمونه این تکنولوژی را می‌توان در اتومبیل‌های خودران پیدا کرد که همچون کوهانی بر سقف این خودروها قرار گرفته است. عمده این تکنولوژی به سیستم جلوگیری از برخورد خودرو مربوط می‌شود که با استفاده از لیزر می‌تواند فاصله بین اشیا را تعیین کند.

در واقع سازوکار لایدار شبیه رادار است، با این تفاوت که برای تعیین فاصله بین اجسام، به جای امواج رادیویی از نور استفاده می‌کند. با تابش لیزر به اجسام و اندازه‌گیری مدت زمانی که نور آن برمی‌گردد، لایدار می‌تواند فاصله جسم، سرعت حرکت آن و اینکه جسم در حال نزدیک شدن یا دور شدن است را تشخیص دهد؛ مهم‌تر از آن، می‌تواند محاسبه کند که آیا مسیرهای دو جسم متحرک در ادامه با هم تلاقی دارند یا خیر. گفتنی‌ست، اپل به منظور بهبود فوکوس در شرایط کم‌نور و همچنین ارتقاء عملکرد حالت شب در دوربین‌های آیفون 13 پرو و آیفون 13 پرو مکس و همچنین آیفون 12 پرو و آیفون 12 پرو مکس، از تکنولوژی لایدار استفاده کرده است.

به گفته اوکان آتالار (Okan Atalar)، دانشجوی دکترا (doctoral candidate) در مهندسی برق در دانشگاه استنفورد، سیستم‌های کنونی لایدار بزرگ و سنگین هستند. اما اگر قرار باشد در آینده شاهد استفاده از لایدار در پهپادهای خودران یا وسایل نقلیه رباتیک سبک‌وزن باشیم، این سیستم‌ها باید خیلی کوچک و کم‌مصرف بوده و در عین حال عملکرد بالایی داشته باشند.

اگر چنین پیشرفتی حاصل شود، برای مهندسین دو فرصت جذاب را خلق خواهد کرد؛ نخست آنکه می‌تواند لایدار با وضوح بالا را محقق کند (امری که در حال حاضر امکان‌پذیر نیست). رزولوشن بالاتر به لایدار اجازه می‌دهد که بتواند سوژه‌ها را از مسافت بیشتری شناسایی کند. به عنوان مثال، اتومبیل خودرانی را در نظر بگیرید که می‌تواند از فاصله دورتری عابر پیاده را از دوچرخه‌سوار تشخیص دهد و در نتیجه جلوگیری از تصادف راحت‌تر خواهد بود. فرصت دوم – که بحث اصلی ماست – آن است که یک سنسور تصویری کنونی که میلیاردها از آن روی گوشی‌های هوشمند فعال است، تنها با افزودن چند سخت‌افزار جزئی، قادر خواهد بود تا تصاویر سه‌بعدی را ضبط کند.

تصویربرداری سه‌بعدی کارکردهای متنوعی دارد. دوربین‌های سه‌بعدی می‌توانند تصاویر عمق‌داری را برداشت کنند که بیننده با نگاه به آنها می‌تواند ارتباط بیشتری با تصویر برقرار کند (گویا خود به شکل فیزیکی در آنجا حضور داشته است). این ویژگی کاربردهای فراوانی خواهد داشت که از جمله آنها می‌توان به دورکاری، آموزش و همچنین برای رعایت فاصله در هنگام شیوع همه‌گیری اشاره کرد. کارکردهای تشخیصی، درمانی و تعمیری در بخش‌های سلامت، تکنولوژی و تولید از دیگر کاربردهای تصاویر سه‌بعدی بر شمرده شده‌اند.

فایده دیگر تصویربرداری سه‌بعدی در گوشی‌های هوشمند، به حوزه امنیت برمی‌گردد. قاعدتا تشخیص چهره در این سیستم به خاطر نگاشت سه‌بعدی چهره، مطمئن‌تر از راه‌کارهای متداول خواهد بود. زمانی که اطلاعات بیشتری از عمق جمع‌آوری می‌شود، داده‌های بیشتری درباره چهره در اختیار گوشی هوشمند قرار می‌گیرد. همین امر می‌تواند تعداد دفعاتی که قابلیت تشخیص چهره از شناسایی صورت شما در‌می‌ماند را کاهش دهد. حال سؤال آن است که چگونه می‌توان این سیستم را پیاده‌سازی کرد؟

یک راه برای افزودن تصویربرداری سه‌بعدی به سنسورهای معمولی، اضافه کردن یک مبنع نور و یک مدولاتور است که بتواند نور را با سرعت بسیار بالا (میلیون‌ها بار در هر ثانیه) روشن و خاموش کند. مهندسین می‌توانند با اندازه‌گیری نوسانات نور، فاصله را محاسبه کنند. البته مدولاتورهای کنونی نیز می‌توانند چنین کاری را انجام دهند، منتهی با مصرف انرژی زیاد؛ مصرف این مدولاتورها به قدری بالاست که عملا برای استفاده روزمره مناسب نخواهد بود.

راه‌ حل تیم پژوهشگران استنفورد برای تجهیز سنسورهای معمولی به تصویربرداری سه‌بعدی، متکی به پدیده‌ای‌ست تحت عنوان «طنین آکوستیک». در حقیقت این تیم پژوهشی با استفاده از ویفری نازک از «لیتیوم نیوبات» اقدام به ساخت یک مدولاتور آکوستیک ساده کرده که با دو الکترود شفاف پوشانده شده است (لیتیوم نیوبات کریستال شفافی‌ست که خصوصیات الکتریکی، آکوستیک و اپتیکال مناسبی دارد). خلق این پدیده حاصل همکاری مابین آزمایشگاه سیستم‌های نانوکوانتومی تلفیقی (LINQS) و لابراتوار اربابیان (وابسته به امین اربابیان (Amin Arbabian) استادیار دانشگاه استنفورد) بوده است.

اما آنچه بیشتر اهمیت دارد، پیزوالکتریک بودن لیتیوم نیوبات است. این یعنی با ورود جریان الکتریکی از طریق الکترودها، شبکه کریستالی که در قلب ساختار اتمی آن است، تغییر شکل داده و با فرکانس‌های خیلی بالا، قابل پیش‌بینی و قابل کنترل به ارتعاش درمی‌آید. با شروع ارتعاش، لیتیوم نیوبات نور را به شکل قدرتمندی مدوله یا زیر و بم می‌کند. با اضافه شدن دو عامل قطبنده، این مدولاتور می‌تواند نور را چندین میلیون بار در ثانیه روشن و خاموش کند.

به گفته آتالار، این هندسه ویفرها و الکترودهاست که فرکانس مدولاسیون نور را تعریف می‌کند و به این ترتیب می‌توان فرکانس را تنظیم کرد. پس با تغییر هندسه، فرکاس مدولاسیون نیز به تبع آن تغییر خواهد کرد.

به بیان تخصصی‌تر، تأثیر پیزوالکتریک موجی آکوستیک را در کریستال ایجاد می‌کند که موجب چرخش قطبی نور به شکلی مطلوب، قابل تنظیم و قابل استفاده می‌شود. در واقع، موفقیت تیم پژوهشی استنفورد مدیون همین حرکت کلیدی بوده است. سپس، یک فیلتر قطبنده با دقت پس از مدولاتور قرار می‌گیرد که این چرخش را به مدولاسیون شدت تبدیل می‌کند. همین امر باعث روشن‌تر شدن و تاریک‌تر شدن نور شده و می‌تواند نور را میلیون‌ها مرتبه در ثانیه روشن و خاموش کند.

آتالار معتقد است، علی‌رغم وجود راه‌های دیگر برای روشن و خاموش کردن نور، این شیوه آکوستیک بر سایر روش‌ها برتری دارد زیرا تا حد زیادی در مصرف انرژی صرفه‌جویی می‌کند.

مثبت‌ترین جنبه این راه‌کار آن است که طراحی مدولاتور مذکور ساده بوده و خیلی راحت می‌توان آن را به دوربین‌های معمولی – که در گوشی‌های هوشمند و دوربین‌های دیجیتال SLR یافت می‌شوند – اضافه کرد. آتالار و امین اربابیان (Amin Arbabian)، مشاور او و دانشیار مهندسی برق و مؤلف ارشد این پروژه، بر این باورند که این ایده می‌تواند مبنایی برای ساخت نوع جدیدی از لایدار کوچک، ارزان‌قیمت و کم‌مصرف باشد. آتالار و اربابیان این نوع سیستم را «لایدار سی‌ماس استاندارد» نامیده و معتقدند که این سیستم می‌تواند در پهپادها، کاوشگرهای فرازمینی و سایر کارکردهای دیگر، به کار گرفته شود.

مدولاتور مذکور تأثیر کلانی بر صنعت خواهد داشت و طبق ادعای تیم پژوهشی استنفورد، پتانسیل آن را دارد که تصویربرداری سه‌بعدی را به هر سنسور دوربینی اضافه کند. برای اثبات این ادعا، تیم پژوهشی یک سیستم لایدار پیش‌نمونه را در آزمایشگاه ساختند که رسپتور یا گیرنده آن صرفا یک دوربین دیجیتال معمولی بود. در گزارش این تیم تحقیقاتی آمده است که پیش‌نمونه آنها توانست نگاشت‌های عمقی با وضوح مگاپیکسل ثبت کند. در این گزارش، بر کم‌مصرف بودن مدولاتور اپتیکال تأکید شده است.

آتالار ضمن یادآوری این نکته که تیم پژوهشی موفق شده مصرف انرژی سیستم را حداقل 10 برابر کاهش دهد، بر این باور است که کاهش میزان مصرف تا چند صد برابر دیگر امکان‌پذیر خواهد بود. در صورت تحقق این تکنولوژی، رویای تولید سیستم‌های لایدار کوچک با سنسورهای تصویری استاندارد و همچنین دوربین‌های سه‌بعدی برای گوشی‌های هوشمند، به واقعیت خواهد پیوست. ناگفته نماند، ورژن لایداری که تیم پژوهشگران استنفورد از آن استفاده می‌کنند، ارزان‌قیمت‌تر از ورژن مورد استفاده اپل بوده و به همین دلیل می‌توان انتظار داشت که این سیستم روی دیوایس‌های بیشتری مورد استفاده قرار بگیرد.