Pööre sõjatehnikas: kassisilmne kaamera – mida kõike sellega näha saab!

Kassisilmast on luuredroonide ja öönägemise kaamerate tegijatel palju õppida, ehkki sel lahendusel on ka mõned puudused. Foto: Beauty of nature / Pixabay

Teadlased on loonud kaamera, mis jäljendab kassi silma, et paremini hämaras näha ning tuvastada maskeeritud objekte. Min Su Kimi ja tema meeskonna välja töötatud kaamerasilm on kassilma pilukujulise avaga ja suurendab oluliselt näiteks luuredroonides ja sõjaväe autonoomsetes sõidukites kasutatavate kaamerate võimekust, selgus teaduslikust uurimistööst.

Uut tüüpi väljatöötatud kaamera kopeerib kahte olulist kassi silmade omadust: vertikaalseid pupille ja tapetum lucidum'it ehk võrkkesta taga olevat peegeldavat kihti, mis suurendab valgustundlikkust.

Miks kasside nägemine on parem?

Tarkvaralahendused võivad küll aidata vähese valguse ja asjade maskeerimise probleeme lahendada, kuid need koormavad tugevalt nii kaamera pilditöötlusprotsessorit kui ka aku tööaega. Selle probleemi tõttu otsustas Kimi meeskond pöörduda riistvaraliste lahenduste poole, saades inspiratsiooni kassisilmade looduslikust disainist.

Kimi sõnul parandab kasside silmade jäljendamine päris palju kaamerate jõudlust vähese valguse tingimustes, kasutades selliseid omadusi, nagu tapetum lucidum ja vertikaalselt reguleeritav piluga pupill.

Kasside tapetum lucidum toimib kui fotokristall, mille vardataolised elemendid peegeldavad silma sisenenud valgust tagasi läbi võrkkesta, et valgus neelduks teist korda.

Pildilt on näha, et võrreldes tavalise pupilli ja silmaga (vasakul) tagab kassi silma ehitus peegeldava tausta ning pilukujulise pupilliga parema nägemise hämaras ning aitab taustalt objekte selgemini eristada. Foto: teadustöö / Min Su Kim et al

See mehhanism suurendab valgustundlikkust, võrreldes näiteks inimese silmaga. Lisaks suudab kassi pupill hämaras täielikult laieneda, lastes rohkem valgust silma siseneda. Need kaks omadust koos aitavad kaameral suurendada tundlikkust vähese valgusega oludes.

Vertikaalsed pupillid aitavad aga kassidel reguleerida valguse taset nii eredas kui ka hämaras keskkonnas, luues samal ajal vertikaalselt hägustatud tausta. See aitab kasside nägemisel vähendada liigset taustamüra.

Kimi sõnul kasutati tapetum lucidum'i imiteerimiseks lahendust, kus hõbedase pinnaga metallist peegeldi paigutati pildisensori taha. See disain on veelgi parem kui looduslik, sest kaotab bioloogilisele tapetum lucidum'ile omase lainepikkusest sõltuvuse, tagades valguse ühtlasema peegelduse erinevate lainepikkustega.

Kassidest inspireeritud kaamera näeb teravalt

Kassi silmadest inspireerituna töötas Kimi meeskond välja kohandatud vertikaalse piluava ja poolkerakujulise ränist fotodetektorite massiivi koos hõbedaste peegelditega.

Traditsioonilised kaamerad kasutavad tavaliselt väikest ümmargust ava, mis eriti eredalt valgustatud tingimustes tekitab sügava teravussügavuse, kus nii taust kui ka objekt on teravad. See muudab aga keerulise ja segava taustaga objektide eristamise keeruliseks.

Veel üks teadustöö näide kassisilmsest nägemisest: taust on hoopis paremini eristatav numbritest endist (alumises reas). Foto: teadustöö / Min Su Kim et al

See-eest kasside silmadest inspireeritud vertikaalse pupilliga kaamera kasutab vertikaalselt orienteeritud ava, mis loob asümmeetrilise teravussügavuse. Vertikaalne ava vähendab teravussügavust, tehes tausta hägusaks ja hoides objekti teravana.

Selline selektiivne fookus parandab kaamera võimet eristada paremini objekte nende taustast.

Vertikaalse pupilliga kaamera eristas objekte taustast veelgi paremini ja suutis keeruka taustaga objektituvastusmudelis saavutada üle 10 protsendi suurema täpsuse kui tavaline, ümmarguse avaga kaamera.

Kaameral on siiski oma piirangud

Teadlased möönavad, et vertikaalse pupilliga kaameral on paraku teatud piirangud, näiteks suhteliselt madal resolutsioon. Siiski on võimalik edaspidi teha ka kõrgema kvaliteediga pildisensoreid.

Samuti on kaameral kitsam vaateväli, mis on kompromiss, millega peavad looduses arvestama ka vertikaalsete pupillidega loomad, nagu kassid. Nad ei näe nii laia vaatenurka kui näiteks inimesed.

Vasakul on tavalise ümmarguse pupilliga kaamera pilt, paremal aga kassisilmse pilupupilliga. Parempoolselt pildilt on näha, et «hiir» eristub taustast sellega hoopis paremini. Foto: teadustöö / Min Su Kim et al

Kimi sõnul toob uus kaameradisain küll märkimisväärseid edusamme valgustundlikkuses ja objektide taustast eristamises kasside silma struktuuri jäljendamise kaudu, kuid selle teatavad puudused sunnivad lahendust täiustama ja edasi arendama.

Poolkerajas sensori kuju ja vertikaalselt reguleeritav ava võivad muuta selle integreerimise olemasolevatesse seadmetesse keerulisemaks, kuna kaameratehnoloogia on tavaliselt mõeldud lameda või ristkülikukujulise sensori jaoks.

Lisaks võib reguleeritava ava mehaaniline keerukus kaasa tuua kõrgemad tootmiskulud ja tekitada võimalikke hooldusprobleeme.

Nende piirangute ületamiseks ja kaamera mitmekülgsuse suurendamiseks reaalsetes rakendustes keskenduvad teadlased kompaktsemate ja kohanemisvõimelisemate disainide arendamisele, mis säilitavad küll poolkerakujulise sensori eelised, kuid on samas ühilduvad mitmesuguste seadmetega, sealhulgas nutitelefonide, droonide ja automaatsete jälgimissüsteemidega.

Kasside silmadest inspireeritud kaamera tähistab seega uut tehnoloogilist verstaposti kaameratehnoloogias, pakkudes paremat valgustundlikkust ja objektide eristamise võimet keerulistes tingimustes. Hoolimata selle piirangutest, pakub uus lahendus lootust uutele läbimurretele, eriti droonide ja isesõitvate sõidukite valdkonnas, kus võiks taolistest omadustest kasu olla.