سیستم واقعیت افزوده فیزیکی؛ تماشای میدان دید دوربین‌ها!

اول از همه باید قطعاتی که تو لیست بالا گفتیم رو روی میز کارت جمع کنی تا بریم سراغ سرهم کردنشون.

• جعبه مقوایی تاریک به همراه لنز
• آیسی آپ‌امپ (TLC271)
• ترانزیستور راه‌انداز
• مقاومت‌های مگا اهمی و خازن فیدبک
• منبع نور (ال‌ای‌دی) و فتودیود
• برد بورد و سیم‌های رابط

پایه‌های قطعات، مخصوصا مقاومت 47 مگا اهم، خازن و فتودیود که تو مدار فیدبک قرار می‌گیرن رو کمی کوتاه کن تا نویز کمتری جذب کنن و مدارت پایدارتر بشه.

برای اینکه بفهمی کدوم پایه فتودیود مثبته (آند) و کدوم منفیه (کاتد)، اون رو به یه ولت‌متر وصل کن. وقتی نور به فتودیود بتابه، اون پایه‌ای که ولتاژ مثبت بهت می‌ده، همون آند هست. همون‌طور که تو عکس می‌بینی، زیر نور یه چراغ مطالعه معمولی، فتودیود می‌تونه بیشتر از 0.3 ولت برق تولید کنه.

معمولا طول پایه‌ها نشون‌دهنده قطبیت هستن، اما برای اینکه بعد از کوتاه کردن پایه‌ها اشتباه نکنی، بهتره پایه مثبت (آند) رو با یه ماژیک قرمز علامت بزنی.

حالا باید یه دوربین یک‌پیکسلی ساده بسازیم. ساخت این دوربین بهت یاد می‌ده که یه پیکسل واقعا چیه و چطور نور رو می‌سنجه. این دقیقا همون مفهومی بود که من رو به اختراع تصویربرداری HDR (تبدیل ریاضیاتی یه دوربین به آرایه‌ای از نورسنج‌ها) رسوند. برای ساخت دوربین، یه جعبه مقوایی مشکی بساز یا داخل یه قاب آماده رو با رنگ مشکی مات رنگ کن. یه لنز جلوی جعبه نصب کن.

فتودیود رو تو نقطه‌ای قرار بده که تصویر لنز دقیقا روش فوکوس بشه.

در نهایت یه جعبه تاریک داری که از جلو نور می‌گیره و از پشتش دو تا سیم (قرمز برای مثبت و مشکی برای منفی) بیرون اومده.

اگه تو یه اتاق کاملا تاریک کار می‌کنی، حتی می‌تونی جعبه رو حذف کنی! فقط کافیه لنز رو تو فاصله مناسبی از سنسور قرار بدی و با چند تا مقوای مشکی جلوی نورهای مزاحم محیط رو بگیری. تو یکی از عکس‌ها می‌تونی ببینی که من فقط یه تکه فوم مشکی رو به لنز تکیه دادم تا نوری به جز نور عبوری از لنز، به سنسور نرسه.

من تو این تست از یه پلاتر برای حرکت دادن دقیق یه ال‌ای‌دی رنگی استفاده کردم. چون می‌دونستم نور فقط از بغل‌ها می‌تابه، نیازی به ساختن یه جعبه کامل نداشتم.

تو هم می‌تونی برای یه تست سریع، فقط یه لنز رو جلوی سنسور بذاری. مثلا لنز رو به یه باتری سنگین بچسبون تا بتونی با عقب و جلو کردن باتری روی میز، فوکوس رو تنظیم کنی. مرحله بعدی ساخت آمپلی‌فایره.

دوربین به آمپلی‌فایر وصل می‌شه و آمپلی‌فایر هم لامپ رو روشن می‌کنه. یادت باشه که فتودیود تو این مدار باید به صورت بایاس معکوس وصل بشه. یعنی سیم قرمز (آند) باید به پایه گراند (GND) آمپلی‌فایر و سیم مشکی (کاتد) به ورودی آمپلی‌فایر متصل بشه. بریم سراغ ساخت مدار اصلی!

حالا می‌خوایم یه آمپلی‌فایر خیلی ساده اما با گین (ضریب تقویت) فوق‌العاده بالا بسازیم. این مدار، سیگنال رو از دوربین می‌گیره و لامپ رو روشن می‌کنه. وقتی لامپ رو تکون می‌دیم، به خاطر دو تا اتفاق، میدان دید سنسور برامون قابل دیدن می‌شه:

• فیدبک ویدئویی: برخلاف فیدبک‌های تصویری تو در تو که روی مانیتور می‌بینیم، اینجا ما فقط یه پیکسل داریم! پس جای اینکه دوربین رو تکون بدیم، صفحه‌نمایشمون (همون لامپ متحرک) رو تکون می‌دیم و دوربین ثابت می‌مونه.
• ماندگاری تصویر (Persistence of Exposure): وقتی یه دوربین رو روی حالت نوردهی طولانی (Long Exposure) می‌ذاریم، ردپای نور تو تصویر ثبت می‌شه؛ دقیقا مثل خطای دید انسان وقتی یه چراغ قوه رو تو تاریکی سریع می‌چرخونی.

آمپلی‌فایرهای معمولی که ولتاژ رو تقویت می‌کنن، تو گین‌های خیلی بالا ناپایدار می‌شن و به چند طبقه تقویت نیاز دارن. اما ما از یه مدل دیگه استفاده می‌کنیم که فقط تو یه طبقه، ضریب تقویتی وحشتناک بالا بهمون می‌ده! به طور کلی 4 مدل آمپلی‌فایر داریم:

1. تقویت‌کننده ولتاژ: ولتاژ رو می‌گیره، ولتاژ قوی‌تر می‌ده.
2. تقویت‌کننده جریان: جریان رو می‌گیره، جریان قوی‌تر می‌ده.
3. تبدیل‌کننده ولتاژ به جریان (Transconductance).
4. تبدیل‌کننده جریان به ولتاژ (Transimpedance).

هر آمپلی‌فایری با تابع انتقالش (h = خروجی تقسیم بر ورودی) شناخته می‌شه. مثلا تو لامپ‌های خلأ که ولتاژ رو به جریان تبدیل می‌کنن، واحد این تابع انتقال می‌شه آمپر بر ولت (یا همون رسانایی). اما آمپلی‌فایری که ما اینجا استفاده می‌کنیم از نوع چهارمه که من روی تخته سیاه کشیدمش.

به این مدل می‌گن TransImpedance Amplifier (یا TIA). چون جریان رو به ولتاژ تبدیل می‌کنه، واحد تابع انتقالش می‌شه ولت تقسیم بر آمپر، یعنی همون مقاومت (اهم). این یعنی ضریب تقویتش بر اساس اهم سنجیده می‌شه.

تو مدار ما، جریان ضعیفی که از فتودیود میاد به ولتاژ تبدیل می‌شه. با این روش می‌تونیم فقط با یه طبقه، به گین خیره‌کننده 47,000,000 ولت بر آمپر برسیم!

البته اگه 1 آمپر بهش بدی، قرار نیست 47 میلیون ولت خروجی بگیری! چون خروجی نهایتا به اندازه ولتاژ منبع تغذیه (مثلا 12 ولت) محدود می‌شه. اما اگه سنسور فقط 200 نانوآمپر جریان تولید کنه، خروجی مدارت حدود 9.4 ولت می‌شه. من معمولا از یه کلید سلکتور 11 حالته استفاده می‌کنم تا بتونم مقاومت فیدبک رو بین 10 کیلواهم تا 1 گیگا اهم تغییر بدم.

دوربین رو طبق نقشه‌ای که بالا گذاشتم به ورودی آمپلی‌فایر وصل کن. یه ولت‌متر به خروجی آپ‌امپ (پایه 6 تو مدل TLC271) وصل کن. در لنز دوربین رو با یه مقوای ضخیم مشکی کاملا بپوشون. باید ولتاژی نزدیک به صفر رو روی ولت‌متر ببینی. حالا در لنز رو بردار تا نور واردش بشه.

ولتاژ خروجی باید نسبت به مقدار نوری که به سنسور می‌تابه به صورت خطی تغییر کنه. در واقع الان تو یه نورسنج خیلی دقیق ساختی! با تغییر دادن مقاومت Rf (که تو نقشه کشیدم) می‌تونی گین مدار رو کم و زیاد کنی.

وقتی گین خیلی بالا می‌ره، ممکنه مدارت ناپایدار بشه. برای حل این مشکل، یه خازن فیدبک (Cf) رو موازی با مقاومت Rf قرار بده تا نویزهای فرکانس بالا فیلتر بشن.

تست کن ببین مدار با خازن و بدون خازن چه رفتاری نشون می‌ده. بهتره برای مقاومت Rf از پتانسیومتر (مقاومت متغیر) استفاده نکنی، چون سیم‌کشی‌هاش باعث جذب نویز می‌شه. وقتی مطمئن شدی دوربین یک‌پیکسلیت درست کار می‌کنه، خروجی آپ‌امپ رو به ترانزیستور وصل کن.

ترانزیستور رو تو حالت امیتر مشترک ببند. مقاومت پایه بیس (Rt) وظیفه محدود کردن جریان رو داره. من برای روشن کردن ال‌ای‌دی از ترانزیستور 2SD261 استفاده کردم چون گین جریان خوبی داره.

حتما دیتاشیت ترانزیستورت رو چک کن. مثلا تو بعضی مدل‌های NEC، پایه کلکتور وسط قرار داره که واسه پکیج TO-92 یکم عجیبه! اما تو مدل‌های دیگه ممکنه پایه بیس وسط باشه.

مقاومت Rb یه مقاومت بایاسینگه؛ کارش اینه که حتی تو تاریکی مطلق هم باعث بشه لامپ یه کوچولو روشن بمونه. روشن بودن ضعیف لامپ برای شروع افکت نوری فیدبک ضروریه. می‌تونی اینجا از پتانسیومتر استفاده کنی تا سطح پایه نور رو تنظیم کنی. خب، وقتشه بریم سراغ خلق واقعیت افزوده!

برو تو یه اتاق کاملا تاریک و ال‌ای‌دی رو جلوی دوربین تو هوا تکون بده. دلیل اینکه میگم از ال‌ای‌دی استفاده کن اینه که سرعت واکنش خیلی بالایی داره و سریع روشن و خاموش می‌شه. اگه اتاق به اندازه کافی تاریک نباشه، ممکنه ال‌ای‌دی حتی وقتی تو زاویه دید دوربین نیست هم پرنور بشه.

تو این حالت باید مقاومت فیدبک رو بیاری پایین و گین رو از 47 میلیون به مقدارهای کمتری مثل 1 میلیون کاهش بدی تا مدار درست کار کنه. اگه به یه تاریک‌خونه دسترسی داری، اونجا بهترین جا برای تجربه "واقعیت افزوده پدیداری" هست. وقتی چشم‌هات به تاریکی عادت کرد، این افکت جذاب رو به راحتی می‌بینی. سعی کن با چشم‌هات مسیر حرکت لامپ رو دنبال نکنی!

بهتره به یه نقطه ثابت (مثل یه ساعت دیجیتال یا چراغ نشانگر دستگاه) خیره بشی و همزمان ال‌ای‌دی رو جلوی دوربین تکون بدی. چیزی که می‌بینی یه تصویر خیالی روی شبکیه چشمته که دقیقا مرزهای دید دوربین رو برات مرئی می‌کنه.

اگه یه دوربین عکاسی (مثل دوربین‌های DSLR) داری که تنظیمات شاتر روی حالت B (نوردهی طولانی یا Bulb) قرار می‌گیره، می‌تونی از این ردپای نور عکاسی کنی. ترکیب استفاده از فلاش و نوردهی طولانی، نتیجه‌ای خیره‌کننده بهت می‌ده! فلاش باعث می‌شه بدنه مدارت ثبت بشه و نوردهی طولانی هم حجم نامرئی میدان دید سنسور رو ثبت می‌کنه.

تو این حالت، تو در واقع داری با یه دوربین عکاسی، از زاویه دید یه دوربین دست‌ساز دیگه عکس می‌گیری! خیلی دوست دارم ببینم چه عکس‌های خلاقانه‌ای از این پدیده می‌گیری!

حالا که موفق شدی این سیستم ساده واقعیت افزوده فیزیکی رو بسازی، در یه دنیای کاملا جدید به روت باز شده! می‌تونی این ایده رو با عینک‌های واقعیت افزوده ترکیب کنی و با راه رفتن دور یه دوربین، زاویه دیدش رو به صورت سه‌بعدی نقشه‌برداری کنی. این دقیقا همون چیزیه که بهش می‌گن اصل آباکوگرافیک (Abakographic Principle) که من روی عینک‌های هوشمند پیاده‌ش کردم.

حتی می‌تونی ربات‌هایی بسازی که بر اساس همین سیستم فیدبک عمل کنن. من تو دهه 1970 دستگاهی ساخته بودم که با کامپیوترهای پوشیدنی، امواج رادیویی و میدان دید دوربین‌های نظارتی رو برام مرئی می‌کرد.

تو نسخه‌های اولیه این آمپلی‌فایرها، من از ترایاک‌ها برای روشن کردن لامپ‌های غول‌پیکر قوس الکتریکی تا 12,000 وات استفاده می‌کردم! (تو یکی از عکس‌ها می‌تونی ببینی که شدت نور اونقدر زیاده که تو دل برف، دقیقا به شکل زاویه دید دوربین، یه حفره ایجاد کرده!).

از این پروژه جذاب لذت ببر، اما یادت نره نکات ایمنی رو مخصوصا وقتی داری با تجهیزات پرنور یا توان بالا کار می‌کنی رعایت کنی تا به چشم‌ها و تجهیزاتت آسیبی نرسه! نظراتت رو تو بخش دیدگاه‌های آیسی‌مدار برامون بنویس و اگه سوالی داشتی بپرس.