Op kattenogen geïnspireerde camera ziet beter in de schemering

Zelfrijdende auto’s veroorzaken minder ongelukken dan auto’s met een mens achter het stuur. Behalve tijdens de ochtend- of avondschemering. Dan heeft een autonome wagen ruim vijf keer meer kans om een ongeluk te veroorzaken dan een auto die door een mens bestuurd wordt. De camera’s die gebruikt worden hebben in het schaarse schemerlicht waarschijnlijk moeite om obstakels, voetgangers en andere voertuigen te herkennen.

Op dat gebied kunnen deze camera’s nog wat leren van katten, dacht een Zuid-Koreaanse onderzoeksgroep. Katten kunnen namelijk in schaars avondlicht feilloos een grijs muisje herkennen dat doodstil aan de bosrand zit. De onderzoekers lieten zich daarom inspireren door de scherpe kattenogen bij het ontwerpen van een camera die zowel in het heldere daglicht als in de schemer objecten kan onderscheiden van de achtergrond. Ze presenteerden het camera-ontwerp woensdag in het vakblad Science Advances.

Om te zorgen dat camera’s bij schaars licht obstakels kunnen onderscheiden van de achtergrond bestaat er slimme software. Maar die vergt veel rekenkracht, wat tijd en energie kost, vertelt Min Seok Kim, van het Gwangju Instituut voor Wetenschap en Technologie, Zuid-Korea.

Spleetvormige pupillen

In hun slim ontworpen, energiezuinige kattenoogcamera bootsten Kim en zijn collega’s twee onderdelen van een kattenoog na: de smalle spleetvormige pupillen en het tapetum lucidum, dit is een spiegelend weefsellaagje achter het netvlies dat ervoor zorgt dat er meer licht op het netvlies valt. Dit laagje geeft katten ook hun karakteristieke oplichtende ogen.

Met hun spleetjes-pupillen kunnen katten zelfs gecamoufleerde muisjes onderscheiden van de achtergrond. Dit heeft te maken met de scherptediepte – de afstanden waartussen je een object scherp kunt zien. Met grote pupillen is dit gebied klein. Dat betekent dat als je op een bepaald object focust – bijvoorbeeld een muis – dat je die scherp ziet, terwijl de achtergrond – de omringende bomen en gras – wazig of onscherp is. Maar grote pupillen hebben overdag een nadeel: je ogen raken overbelicht. Daarom hebben katten smalle, langwerpige, verticale pupillen. Daardoor is hun scherptediepte in de verticale richting klein en kunnen ze prooien onderscheiden, terwijl de nauwheid van de pupil overbelichting voorkomt.

In het donker worden de pupillen van katten groter en ronder – net als die van ons – zodat er meer licht op het netvlies valt. Dan zien katten dus zowel in de verticale als horizontale richting een onscherpe achtergrond en een scherp focusobject. Dat is mooi, maar er is wel minder licht waardoor alles minder duidelijk is. Katten hebben daar weinig last van dankzij het tapetum lucidum, dat voor extra licht op het netvlies zorgt. Daardoor kunnen katten ’s avonds feilloos een muisje vinden in het gras en wij niet.

Handige trucjes

De onderzoekers bootsten deze handige trucjes van de natuur na door een camera te ontwerpen met een verticale apertuur, die net als een kattenpupil kan variëren van een smal spleetje tot een grote, ronde opening. Daarachter plaatsten ze een halfrond oppervlak met lichtdetectoren – die het beeld vastleggen – met zilveren spiegeltjes erachter die het licht reflecteren, zoals het tapetum lucidum.

De onderzoeksgroep vergeleek de kattenoogcamera met een gewone, cirkelvormige apertuur. De kattenoogcamera bleek 10 procent nauwkeuriger in het herkennen van de objecten in een standaardtest. „Het camerasysteem werkte uitzonderlijk goed, vooral in het onderscheiden van objecten van de achtergrond onder verschillende lichtomstandigheden”, mailt Kim. „En we hadden geen zware beeldverwerkingssoftware nodig, waardoor het energieverbruik laag is.”

„Het is een sterk staaltje biomimicry, waarbij de onderzoekers technologie verbeteren door een biologisch systeem te imiteren”, zegt natuurkundige Sander Mann van de Universiteit van Amsterdam, die niet bij het onderzoek betrokken was.

„De lichtdetectoren op een halfronde ondergrond plakken helpt met scherp zien over een groot zichtveld, maar het nadeel is dat je dunne, buigbare detectoren nodig hebt die daardoor veel licht doorlaten”, vervolgt Mann. „De spiegels die ze erachter plakken zorgen dat er iets meer licht wordt opgevangen, maar verreweg het meeste licht gaat er nog steeds ongedetecteerd doorheen. Er zijn andere onderzoeksgroepen, onder andere in Amsterdam, die werken aan methodes om ook in zulke dunne detectoren licht volledig op te vangen. Er valt dus nog wat te winnen op het gebied van efficiëntie, maar het is een veelbelovende stap en een inspirerend ontwerp.”

Delen





Mail de redactie