Камера дополненной реальности или как вещи «видят» нас

Доброго дня, мозгоисследователи! Еще в детстве я обнаружил удивительный феномен: если подсоединить источник света к ТВ-приемнику с достаточным усилением и помахать этим источником перед камерой, то свет может выступать при этом в качестве 3D-экрана дополненной реальности, который накладывается на область захвата камеры как виртуальная информация поверх физической реальности. Непонятно? Тогда читаем далее!

Я вырос в те далекие времена, когда технологии еще были ясными и простыми в понимании. В радиоприемниках и телевизорах использовались прозрачные электронные мозголампы, называемые «вакуумными» лампами, и можно было «заглянуть» к ним внутрь и раскрыть все их «секреты». После этого я стал свидетелем перехода в «темную эпоху», когда научные разработки были «спрятаны» внутри интегральных микросхем с закрытым кодом пошивок. И с тех пор, как механизмы стали более «скрытными», мы в ступили в эру, когда они тоже начали наблюдать за нами и чувствовать наше присутствие, даже не обнаруживая себя (об этом метафеномене я написал в коротком эссе). Я хотел бы иметь возможность «засекать» сенсоры и видеть то, что могут видеть они, поэтому изобрел некую вещицу, которую назвал «PHENONAmplifier», представляющую собой устройство, усиливающее физические явления через открытие петли обратной связи.

Работает это посредством обратной связи видеопотока, и именно с помощью петли обратной связи была решена одна из самых сложных проблем дополненной реальности — выравнивание реального и виртуального миров. В результате этого я смог превратить художественное рисование светом или световые картинки в научную визуализацию, где степень видимости каждой выбранной точки в пространстве для камеры наблюдения может сама по себе стать видимой. Я назвал это «метасканированием», иначе говоря, видение того, что камера может видеть (сканирование датчиков и определение их зоны сканирования). Как профессор я преподаю это каждый год своим студентам в моем мозгоклассе носимых микрокомпьютеров и дополненной реальности, однако большое количество людей, пытавшихся воспроизвести этот интересный научный эффект, испытывали затруднения (довольно сложно правильно соблюсти все условия для воспроизведения этого явления). Поэтому я придумал очень простой способ обучить этому феномену и объяснить его.

Каждый студент для понимания этого интересного феномена собирает простейшую однопиксельную камеру и очень простое устройство трехмерной дополненной реальности с лампочкой или светодиодом. Поняв этот мозгоэффект ему можно найти множество творческих и научных применений. К примеру как этот IEEE Consumer Electronics, 4(4) Pages: 92 - 97, 2015.

Шаг 1: Сбор и подготовка материалов

Нам необходимы:

- черный картон или другой подобный материал для сборки простой бокс-камеры
- ножницы, клей, скотч, или что-то подобное для сборки короба (или черная краска для окраски уже имеющегося короба в черный цвет)
- объектив (или можно просто сделать отверстие в коробе, как в камере-обскура)
- макетная или монтажная плата, паяльник и т.д.
- провода, штекеры
- подходящий операционный усилитель, такой как TLC271 или TLC272
- транзистор, подходящий для контроля лампочки или светодиода в зависимости от вашего выбора (я использовал 2N6058 для контроля 50Вт-й лампочки или 2SD 261 для управления 0.25А-м светодиодом)
- радиатор, разъем, и изоляционная слюда, если вы используете большой транзистор
- лампочка или светодиод ( к светодиоду возможно понадобится последовательный резистор или что-то подобное, если нет ограничения тока или нагрузки включенных в схему)
- резисторы (один с высоким номиналом, хорошо проявляют себя из диапазона от 1 до 100 МОм, я использовал 47 МОм, и два с низким номиналом, например 1000 Ом)
- конденсатор с подходящим значением для ограничения пропускной способности обратной связи, я использовал 6800пФ
- фотодетектор, фотордиод, солнечная батарея или что-то подобное, которое можно использовать в качестве пикселя (датчика света), желательно, чтобы этот фотодатчик имел достаточную площадь для обеспечения приемлемой зоны обзора однопиксельной камеры.

Подготовка компонентов состоит в подрезании лапок до соответствующей длины, главным образом у компонентов входящих в контур обратной мозгосвязи, таких как резистор 47МОм, конденсатор и фотодиод.

Для определения полярности фотодиода его подсоединяют к вольтметру. Тогда при попадании света на фотодиод, анодом будет тот контакт, который будет выдавать положительное напряжение.

На представленном фото можно увидеть, что при освещении обычной настольной лампой вырабатывается более 0.3В. Иногда полярность обозначают разной длиной контактов, или можно пометить положительный контакт (анод) красным маркером, как и на фото.

Шаг 2: Создание камеры для показа феномена дополненной реальности

Собираем простую однопиксельную камеру. Вы можете многое понять при создании такой камеры, потому что она заставит вам мыслить фундаментально о том, что такое пиксель и что им измеряется и считывается. Это отличнейший способ наглядно изучить мозгокамеру. И это то, что привело меня к изобретению HDR-изображений (математическое превращение камеры в массив световых метров*).

Короб камеры-самоделки может быть сделан из черного картона, или можно взять уже готовый короб и покрасить его изнутри черной краской, перед ним нужно закрепить линзу и сфокусировать ее таким образом, чтобы изображение формировалось на месте, где располагается сенсор, в качестве которого выступает фотодиод.

В итоге у вас будет черный короб перед которым располагается объектив, через который проходит свет, и два выходящих провода, к примеру, красный «+» и черный «-».

Если ваша комната достаточно затемненная (и у вас есть несколько листов черного картона поблизости) вы можете просто зашторить окно и разместить объектив на фокусном расстоянии от сенсора, так же необходимо поместить по бокам пару листов черного мозгокартона для предотвращения попадания лишнего света в пространство между объективом и сенсором.

На одном из фото можно заметить, что я просто прислонил кусок черного пеноматериала к объективу, чтобы не допустить попадания на сенсор света, не прошедшего через объектив. В данном случае я воспользовался плоттером для перемещения туда и обратно в заданной плоскости разноцветных светодиодов, и зная то, что свет будет появляться только с двух сторон, мне понадобились лишь две стенки, а не весь короб.

В принципе можно быстро протестировать систему только лишь с объективом размещенным перед сенсором, (без короба вокруг них). См. вышепредставленное фото (объектив, приклеенный к тяжелому аккумулятору стоящему на столе, можно перемещать по этому столу вперед-назад для фокусировки конструкции).

Далее необходимо собрать усилитель, подключаемый к камере, и к которому еще подключается источник света. Так же отмечу, что мозгосенсор камеры (фотодиод) должен быть обратно смещенным ( например обратно включенный). Красный провод (положительный, т.е. анод) подключается к заземлению усилителя, а черный провод — к входу усилителя.

А теперь, собственно, сборка усилителя!

* световой метр — прибор, определяющий уровень освещенности.

Шаг 3: Сборка "PHENOMENAmplifier" (усилителя обратной связи видеопотока)

Сейчас вы узнаете, как сделать простейший усилитель с массивно высоким усилением, к примеру, для того, чтобы можно было продемонстрировать «феноменологический эффект обратной связи видеопотока», позволяющий сделать видимыми невидимые физические явления посредством электрооптической обратной связи с подвижным источником света.

На усилитель поступает входящий сигнал с камеры и он запускает источник света. Движение света делает явления видимыми в следствие комбинации двух мозгоконцепций:

• петли обратной связи видеопотока — вместо обычных фрактальных узоров на ТВ-экране, у нас имеется только однопиксельный экран, это приводит к инверсии того, как обычно работает обратная связь видеопотока: вместо перемещения камеры вокруг и направления ее на неподвижный экран, мы двигаем вокруг сам «экран» (в данном случае наш свет это и есть однопиксельный экран), пока камера остается неподвижной.
• и продолжительность выдержки (Persistence of Exposure — PoE) — которая может быть и у другой камеры (например, настроенной на длинную выдержку) или даже в самом человеческом глазу, который работает подобно камере.

Обычные усилители, повышающие напряжение, при сверхвысоком усилении являются нестабильными и ненадежными, и нужно несколько каскадов для получения сверхвысокого усиления, но есть и другие типы усилителей, посредством которых можно получить сверхвысокое усиление всего лишь с одного каскада! Основные категории усилителей таковы:

• усилители напряжения , которые повышают входящее напряжения до выходящего,
• усилители тока, в которых поступающий ток, соответственно, повышается до выходящего тока,
• усилители преобразующие напряжение в ток,
• усилители, которые преобразуют ток в напряжение.

Характеризуются усилители передаточной функцией, то есть «выходящее напряжение» делится на «входящее напряжение»
h=Hout/Hin

К примеру, усилитель третьего типа, преобразующий напряжение в ток, называется усилитель межэлектродной проводимости, поскольку его единица измерения «h» (где h=out/in)=ампер/вольт=проводимость. Вакуумные лампы являются примером усилителя такого типа: напряжение на сетке преобразуется в ток анода.

В данном мозгоруководстве мы создаем усилитель четвертого типа. Устройство одного из таких я нарисовал на «школьной доске» (28 января 2016 класс ЕСЕ516), представленной выше. Называется он трансимпендансный усилитель (усилитель напряжения, управляемый током) или «TIA», и его единица измерения «h» (где также h=out/in) это вольт/ампер, то есть ом, единица сопротивления.

В нашем случае мы конвертируем фототок (текущий с фотодиода) в напряжение. При такой конфигурации усилитель может надежно работать при сверхвысоком усилении с необходимым одиночным каскадом! Коэффициент усиления при этом 47 млн вольт/ампер. Ясно, что если вы приложите на входе ток в 1 ампер, то вы не получите на выходе 47 млн вольт, потому что это создаст лишь напряжение 12В или около того. А вот если у вас есть 1мкА фототока, то вы получите на выходе около 10В.

Итак, необходимо подключить контакты мозгокамеры к входу усилителя, как показано на фото.  Далее вольтметр подключается к выходу операционного усилителя (к контакту 6, если используется TLC271). Объектив камеры прикрывается (например непрозрачным черным скотчем или плотным черным картоном). При этом на вольтметре должно наблюдаться почти нулевое напряжение. Затем объектив необходимо открыть и подать немного света. Напряжение на выходе в этом случае должно меняться линейно с количеством поступившего света. Вольтметр можно так и оставить подключенным, и использовать его в качестве точного светового метра.

Коэффициент усиления можно варьировать изменением резистора Rf, указанным на фото с «доской». Но с увеличением усиления мозгосхема может стать нестабильной. Для снижения коэффициента усиления на высоких частотах, и сохранения его высоким на низких частотах можно использовать параллельно с резистором Rf конденсатор обратной связи Cf. Поэкспериментируйте с и без конденсатора, чтобы увидеть его действие.

В своей самоделке я предпочитаю не использовать потенциометр (переменный резистор) для Rf, потому что проводками или ножками, идущими от него и к нему, да и его большим поперечным сечением, можно «собрать» посторонние шумовые сигналы.

Убедившись, что однопиксельная камера работает в качестве светового метра (что есть главной философией непараметрического анализа) необходимо подключить ее к транзистору, с общим эмиттером, как показано на фото. Нагрузка на базе транзистора, резистор Rt, ограничивает ток, поступающий на базу. Для контроля светодиода я использовал транзистор 2SD261 из-за его хорошего усиления тока и поэтому я не нуждался в высокочастотном транзисторе. Я нашел такое его исполнение, который шел вместе с хорошим радиатором. Нужно обязательно несколько раз проверить распиновку, потому что для версии этого транзистора D261 от NEC, его коллектор располагается посередине, что необычно для корпусов TO-92, где в середине, как правило, находится база.

Rb — это резистор смещения, и нужен он здесь для того, чтобы даже в полной темноте источник света немного светился, то есть для инициирования оптического эффекта «метасканирования». С номиналом этого резистора можно поэкспериментировать, или заменить потенциометром, чтобы иметь возможность варьировать «смещение».

А теперь активируем дополненную реальность!

Шаг 4: Тестирование и применение системы дополненной реальности

В темном помещении нужно помахать источником света. Мне нравиться использовать для этого светодиод, потому что он быстро откликается и им можно быстро махать. При этом нужно понимать, что если в помещении не достаточно темно, то светодиод может засветиться на полную яркость, даже если камера не обращена на него. В таком случае, возможно придется снизить усиление с 47 млн Ом, на более меньшее значение. К примеру, для начала выставить 1 млн Ом, пока система не заработает как надо, а потом понемногу повышать, наблюдая, какое усиление может подойти для данного уровня освещенности.

Если у вас имеется темная комната, то это как раз подходящее место для экспериментов с мозгоподелкой, называемой нами «феноменальная дополненная реальность» (дополненная реальность физической феноменологии).

Данный эффект можно наблюдать после того, как ваши глаза привыкнут к темноте, при этом нужно стараться, чтобы глаза не следовали за светом. Можно даже установить отдельный световой указатель, или присматриваться к чему-то вроде фотолабораторного таймера со светящимися стрелками, и одновременно махать в разные стороны источником света, наблюдая при этом феноменолгическое наложение отпечатков на своей сетчатке из-за продолжительности выдержки, что может быть весьма удивительным и познавательным.

Если у вас имеется фотокамера, например такая как DLSR, с опцией «В» («В» - bulb, лампочка, или длинная выдержка), то попробуйте запечатлеть следы света от мозгоустройства. Комбинация вспышки и длинной выдержки тоже дает весьма удивительную картину, так как вспышка делает видимым исследуемый объект, пока длинная выдержка делает видимыми невидимые виртуальные материи (например, зону охвата камеры во время тестирования). В этой ситуации у вас 2 камеры: ваша исследовательская камера (та, что обладает мозгофеноменом), и обычная фотокамера ( которая фотографирует первую, «феноменальную» камеру).

Шаг 5: Резюмирование

Теперь, создав простой образец «феноменальной дополненной реальности», вам открыта дверь к пониманию нового мозгомира!

Можно попробовать наблюдать источник света с помощью Meta Spaceglasses (МетаОчков), и «захватить» вид очками, проследить и создать карту камеры, походить вокруг и увидеть зону хвата под разными углами обзора. См. также "abakographic principle" прилагаемый к Metaglasses. Еще вы можете также сделать роботизированную систему, в которой реализуется принцип метасканирования путем обратной связи видеопотока. Еще в далеких 70-х годах 20-го века я собрал нечто, названное мной «Sequential Wave Imprinting Machine» - устройство импринтинга последовательных волн, которое позволило мне увидеть радиоволны, а также зоны охвата камер наблюдения, с помощью получения сигналов от камер посредством портативного компьютера и переносной антенной решетки. При создании этих первых мозгоусилителей я использовал симисторы для контроля больших ламп, таких как дуговые лампы или подобных устройств мощностью до 12000Вт (см пример выше, в котором яркости света достаточно, чтобы растопить снег для создания снежной скульптуры, в которой «взор» камеры наблюдения прожигает снег).

Чтож, веселитесь и экспериментируйте СОБЛЮДАЯ МЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ, особенно когда «взгляд» камеры плавит снег или металл!

( Специально для МозгоЧинов #Phenomenal-Augmented-Reality-Allows-Us-to-Watch-Ho