تصوير بكسل مفرد مع تعويض الحركة متعدد القنوات ومتعدد المراكز لجسم صلب ثنائي الأبعاد يتحرك بشكل عشوائي

صور أوضح بعدد أقل من البكسلات

تعتمد تقنيات التصوير عادةً على شرائح كاميرا كبيرة ومعقدة تحتوي على ملايين البكسلات الصغيرة. لكن هناك نهج مختلف: استخدام جهاز استشعار ضوئي واحد فقط وترك الأنماط الذكية والحسابات لتقوم بالباقي. تُظهر هذه الورقة كيف يمكن دفع فكرة البكسل المفرد أبعد من ذلك، مما يجعل من الممكن تتبع وتصوير أجسام صغيرة وسريعة الحركة تدور وتنقلب وتخرج أحيانًا جزئيًا من إطار المشاهدة — وكل ذلك في الوقت الفعلي.

لماذا قد يكفي بكسل واحد

في تصوير البكسل المفرد، تُضاء المشهد أو تُصفّى عبر سلسلة من الأنماط المهيكلة، ويقيس كاشف واحد شدة الإضاءة الإجمالية لكل نمط. من خلال دمج كل هذه القياسات رياضيًا، يمكن إعادة بناء صورة كاملة. يكون هذا النهج جذابًا عندما تكون مصفوفات الكواشف عالية الأداء مكلفة أو غير عملية، كما في نطاقات التيراهرتز، الأشعة السينية، أو تصوير الفوتونات المفردة. كما يعمل جيدًا مع أخذ العينات المضغوطة، بحيث تكون هناك حاجة إلى قياسات أقل بكثير مقارنة بالكاميرات التقليدية. ومع ذلك، هناك مشكلة رئيسية: عادةً يجب أن يظل الجسم ثابتًا أثناء تطبيق الأنماط واحدًا تلو الآخر. إذا تحرك، لم تعد القياسات متطابقة، مما يسبب الضبابية والظلال في الصورة النهائية.

تحدي الأهداف المتحركة والدورانية

ركزت المحاولات السابقة للتعامل مع الحركة في تصوير البكسل المفرد على الحركة الخطية البسيطة. اعتمدت غالبًا على إدراج أنماط "محددة الموقع" إضافية في التسلسل لتقدير الموضع، أو على صور معاينة أو كاميرات خارجية لقياس الحركة. هذه الحيل إما تقلل من معدل الإطارات الفعلي، أو تفترض حركة متكررة، أو تتعثر عندما يقوم الجسم بالترجمة والدوران معًا. الحركة الدورانية صعبة بشكل خاص: حتى خطأ صغير في تقدير الزاوية يمكن أن يتحول إلى انزلاقات كبيرة عند حافة الجسم، مما يمحو التفاصيل الدقيقة. كما تميل الخطط الحالية إلى فقدان التتبع عندما ينحرف الجسم جزئيًا خارج مجال الرؤية، وهو أمر شائع في مهام التتبع الحقيقية.

طريقة جديدة للتتبع وتجميد الحركة

يقدم المؤلفون MC3-SPI (التصوير ببكسل مفرد مع تعويض الحركة متعدد القنوات ومتعدد المراكز)، طريقة تتبع وتصوير الأجسام الصلبة التي تخضع لأي حركة ثنائية الأبعاد — بما في ذلك تركيبات عشوائية من الترجمة والدوران — دون التضحية بالدقة الزمنية. الفكرة الأساسية هي ترميز مجموعة صغيرة من أنماط فورييه مختارة بعناية، تعمل كأنها مساطر عامة ممدودة فوق مجال الرؤية. من خلال فحص كيف يتحول طور الإشارة الناتجة عن هذه الأنماط، يمكن للنظام تحديد مركز كتلة الجسم بدقة تقارب ثلث بكسل. وبما أن الضوء يُقسم إلى قنوات حمراء وخضراء وزرقاء، ينتج عن كل لون مركزه الخاص؛ وهذه النقاط الثلاث معًا تُعرّف موقع الجسم واتجاهه في كل إطار قياس. مع هذه المعلومات، يعكس الأسلوب الفيلم بطريقة ما: يطبق الترجمات والدورانات المعاكسة على الأنماط نفسها قبل دمجها في صورة، وهي عملية يسميها المؤلفون التحويل العكسي المعوض عن الحركة.

رؤية أكثر بعدد أقل من القياسات

من خلال المحاكاة والتجارب، يظهر الباحثون أن أنماط فورييه مناسبة بشكل خاص لهذا النوع من تصحيح الحركة، لأنها تبقى شبه متعامدة حتى بعد تحريكها وتدويرها، مما يحافظ على جودة إعادة البناء عند معدلات أخذ عينات منخفضة. بالمقابل، تفقد عائلة الأنماط الشهيرة الأخرى، أنماط هادامارد، التعامد بسرعة أكبر تحت تعويض الحركة وتحتاج إلى مزيد من القياسات لتحقيق جودة صورة مماثلة. باستخدام مخطط فورييه المحسّن لديهم، تمكن الفريق من تتبع وإعادة بناء أهداف ملونة مثل الحروف "BIT"، وشخصية كرتونية، وصاروخ لعبة، كلها تخضع لحركات ثنائية الأبعاد معقدة. وحتى عندما يلامس الجسم حافة مجال الرؤية بحيث لا يحتوي أي إطار منفرد عليه بالكامل، يمكن لـ MC3‑SPI استرداد مساره الحقيقي من خلال استغلال معلومات المراكز المكررة من قنوات الألوان الثلاثة، ولا تزال قادرة على تكوين صورة ملونة حادة مع مرور الوقت.

من تجربة مخبرية إلى أنظمة سريعة وعملية

ميزة رئيسية في النهج هي السرعة. يتطلب تحديد الحركة ستة أنماط تموضع فقط لكل إطار، لذا عند أقصى معدل تعديل لجهاز ميكروميرور الرقمي القياسي، يمكن للنظام من حيث المبدأ تتبع الحركة آلاف المرات في الثانية. خطوة إعادة البناء الأساسية — جمع الأنماط المعوضة عن الحركة — أيضًا سريعة للغاية، أسرع بمقدار عدة درجات من خوارزميات التحسين التكرارية، ومع ذلك تعطي نتائج واضحة عند معدلات أخذ عينات منخفضة تصل إلى 5%. يمكن إضافة خوارزميات أكثر تقدمًا لاحقًا عندما تكون جودة الصورة الأعلى مطلوبة ويسمح الوقت بذلك. وبما أن MC3‑SPI يعمل بمكونات جاهزة ومتوافقة مع إعدادات البكسل المفرد القياسية، فيمكن دمجه مع مخططات فوق الطيفية، ثلاثية الأبعاد، أو زمنية التحلل، مما يتيح إمكانية تصوير مفصل للأهداف السريعة والخافتة أو صعبة الوصول في مجالات تتراوح من الميكروسكوبية إلى الاستشعار عن بعد.

ما الذي يعنيه هذا لمستقبل التصوير

في الجوهر، تُظهر هذه العملة كيفية تحويل نظام بكسل مفرد بسيط إلى كاميرا رشيقة وواعية للحركة يمكنها مواكبة الأجسام المرنة والدورانية مع الاستمرار في تقديم صور حادة. من خلال اختيار أنماط الإضاءة بذكاء، واستخدام قنوات الألوان لتعريف نقاط مرجعية متعددة على الجسم، وتعويض حركته برمجيًا، يتغلب المؤلفون على التوتر الطويل الأمد بين السرعة والدقة والحساسية للحركة في تصوير البكسل المفرد. هذا يفتح مسارًا عمليًا نحو أنظمة تصوير مدمجة ورخيصة لا تكتفي بتجميد العالم، بل تتابعه في الوقت الفعلي.

الاستشهاد: Shao, C., Cao, Y., Li, S. et al. Multichannel multicentroid motion-compensated single pixel imaging of a 2D arbitrarily moving rigid-body target. Commun Eng 5, 61 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00619-2

الكلمات المفتاحية: تصوير بكسل مفرد, تتبع الحركة, التصوير الحاسوبي, نماذج فورييه, التصوير عالي السرعة