رمزگشایی تصاویر فضایی
نمای کلی
تا بحال به این فکر کردهاید که فضاپیماها و تلسکوپهای فضایی چگونه اطلاعات و تصاویر را به زمین مخابره میکنند؟ در فضا که سرویس اینترنت پرسرعت نیست! پست فضایی هم که نداریم که بخواهد اطلاعات را روی یک حافظه الکترونیک به زمین برساند. پس دانشمندان چطوری اطلاعات را از فضاپیماها دریافت میکنند؟ مورد مهم استفاده مهم دیگر ردگیری مکان دقیق آنهاست که برای تصحیح مدارشان و درنتیجه زنده نگهداشتن آنها در طول مأموریت حیاتی است. بیایید با چند فعالیت ساده از شیوهی انجام این کار، سر در بیاوریم.
زمان لازم
۳۰ دقیقه تا ۱ ساعت
مهارتهای اصلی
تمرین مهارتهای تفکر انتقادی و خلاقانه – توجه به جزئیات و بیان هنری – توان و عبارتهای نمایی – مهارتهای صفحات گسترده (مانند اکسل)
چه وسایلی نیاز داریم
- لیزر کوچک یا یک چراغ قوه
- مداد و کاغذ
- مدادرنگی یا مداد شمعی یا ماژیک
- پرینت کاربرگهای فعالیت
- (اختیاری) کامپیوتری که به برنامههای صفحات گستره دسترسی داشته باشد (مثل Excel یا Numbers یا غیره)
استانداردهای یادگیری
- کشف اینکه چگونه روشهای ارتباطی مختلف (اینجا دیجیتال) میتوانند پیامها را منتقل کنند و شناسایی عوامل مؤثر بر اثربخشی آنها
- برای حل مسائل و تصمیمگیری، از منطق و استدلال استفاده کنید.
- نتیجه گیری کنید و بر اساس شواهد و مدارک، مسیر عملی را طراحی کنید.
- روشها و نتایج را برای تعیین میزان اثربخشیشان ارزیابی کنید.
پیشزمینه
وقتی یک فضاپیما یا تلسکوپ فضایی میخواهد تصویری را به زمین مخابره کند، ابتدا آن را به شکل کدهای باینری (کمی پایینتر توضیح میدهیم) رمزگذاری میکند. بعد توسط کامپیوترها و با استفاده از امواج رادیویی (که از جو زمین عبور میکنند و به زمین میرسند) آنها را به شکل مجموعهای از صفر و یکها به زمین میفرستد. به این صفر و یکها به شکل خاموش و روشن بودن یک چراغ (یا نور لیزر) فکر کنید.
سیستم شمارش دو-دویی یا باینری یک سیستم شمارش اعداد در مبنای ۲ است که در آن برای نشان دادن همهی عددها تنها از دو حالت ۰ و ۱ استفاده میکنند.
در زبان کامپیوترها به هر یک از این روشن (۱) و خاموش (۰) ها یک بیت میگوییم. و هنگامی که ۸ تا از این بیتها در کنار هم نوشته شوند، یک بایت میسازند.
بیایید با هم این قرار را بگذاریم.
روشن = ۱ =
خاموش = ۰ =
و مثل استاندارد همیشگی ریاضی، بیایید از چپ شروع به خواندن و نوشتن اعداد کنیم. آیا میتوانید تشخیص دهید این چراغها چه بایتی را نشان میدهند؟
مراحل کار
۱. گام اول – فرستادن و گرفتن یک بایت نوری
برای انجام این فعالیت حداقل به دو نفر و یک لیزر کوچک یا چراغ قوه نیاز داریم. بیایید قرار بگذاریم که ما هم مثل کامپیوترها، به چراغ/لیزر روشن عدد ۱ و به حالت خاموش آن عدد ۰ را نسبت دهیم. فرض کنید میخواهیم بایت روبرو را از گروه فرستنده به گروه دیگر مخابره کنیم: (11000101). البته وقتی میخواهید فعالیت را اجرا کنیم بهتر است فقط گروه فرستنده محتوای واقعی بایت را بدانند.
- چه روشی را برای انجام این کار پیشنهاد میکنید؟ احتمالاً ساده ترین کار این است که نورِمان را برای ۱ ها روشن و برای صفرها خاموش کنیم. اما از کجا بفهمیم وقتی که نور خاموش است، بخاطر این است که داریم صفر را مخابره میکنیم یا اینکه بین فرستادن دو تا ۱، کمی مکث کردهایم؟
برای تصمیمگیری دربارهی جواب این پرسش، ابتدا با تمام اعضای گروهتان از روش بارش فکری استفاده کنید. یعنی یک کاغذ بزرگ یا حتی تختهای را وسط بگذارید و هرکس هر روشی را که به ذهنش میرسد بگوید و آن را بنویسید. یادتان باشد در این مرحله ایدهی خوب یا بد وجود ندارد بلکه فقط میخواهیم هر چه بیشتر راهحلهای مختلف ارائه کنیم. بعد از اینکه حدود ۱۰ تا ۱۵ دقیقه را به این کار اختصاص دادید، در حدود ۵ دقیقه به همه راهحلها نگاه کنید و یکیشان را انتخاب کنید.
به دو گروه تقسیم شوید؛ یک گروه فرستنده و دیگری دریافت کننده پیام خواهد بود. به دورترین فاصلهای که میتوانید از یکدیگر قرار بگیرید بروید. به شیوهای که تصمیم گرفتید، پیام را بفرستید. گروه گیرنده آن را یادداشت کنند و بعد با هم مقایسه کنید.
- آیا محتوای پیام به درستی دریافت شده بود؟
- اگر نه، فکر میکنید کجای کار مشکل داشت؟
- آیا هیچ یک از روشهای پیشنهادی دیگرتان این مشکلات را برطرف میکند؟ اگر پاسخ مثبت است، این مرحله را با آن روش یک بار دیگر تکرار کنید. بهتر است این بار نقش گیرنده و فرستنده بودن را با هم جابجا کنید.
- اگر هیچکدام از روشهایتان جواب نداد پیشنهاد میکنیم گزارش همه کارهایی که تا این مرحله انجام دادهاید را برای تیم آلبدو بفرستید تا با هم دربارهاش گفتگو کنیم و ببینیم چه کار میشود کرد؟
۲. گام دوم – کدگذاری و رمزگشایی تصاویر
- حالا به سراغ کاربرگ شماره یک بروید که دو جدول دارد. در جدول سمت راست صفحه، و در ستون اول تعدادی پیام ۱۰ کاراکتری نوشته شده است. در مقابل هر عدد، ۱۰ خانه خالی جدول قرار دارد. خانههایی که مربوط به اعداد ۱ هستند را با مداد رنگ کنید و آنهایی که صفر هستند را خالی بگذارید. اگر در گروه کار میکنید، پس از پایان فعالیت، نتایج خود را با دیگران مقایسه کنید.
- اکنون در بخش سمت چپ کاربرگ برعکس آنچه در بالا انجام دادیم را تمرین میکنیم. یعنی به خانههای هر سطر نگاه کنید و در ستون سمت راست، عدد مربوط به آن را بنویسید.
۳. یک ماجرای جالب
بگذارید یک قصه جذاب برایتان تعریف کنم. در تابستان سال ۱۳۴۴ شمسی، دانشمندان و علاقهمندان به فضا در سراسر جهان نفس خود را حبس کرده بودند، چون اولین “تصویر تلویزیونی” از مریخ در شُرُف فاش شدن بود. فضاپیمای مارینر۴ با موفقیت در کنار سیاره سرخ پرواز کرده بود و در طول مأموریت خود تصاویری از نمای نزدیک گرفته بود. تصویر با استفاده از یک دوربین تلویزیونی vidicon گرفته میشد که در آن زمان یک نوع دوربین رایج بود. دوربینهای Vidicon وضوح نسبتاً پایینی داشتند، اما میتوانستند در شرایط نور کم کار کنند، که برای مأموریتهای فضایی مهم بود.
این اولین تصویر، نقطه عطف مهمی در اکتشافات فضایی بود. زیرا اولین بار بود که انسانها تصویری از سیاره دیگر را از نزدیک میدیدند. تا پیش از آن تصور بر این بود که مریخ سیارهای سرسبز و قابل سکونت است. باورتان میشود؟! فقط حدود ۶۰ سال پیش، ما هنوز فکر میکردیم که مریخ مثل زمین سیارهای سرسبز است!
تیم مأموریت آن قدر مشتاق دیدن نتیجه بودند که نتوانستند منتظر پردازش تصویر و تبدیل و رمزگشایی کدهای دو-دویی (باینری) آن باشند. بنابراین، کارمندان بخش مخابرات مأموریت خودشان یک راهنمای رنگی برای رمزگشایی درست کردند، سپس اطلاعات تصویر را روی نوارهایی مونتاژ کردند – یک تصویر غولپیکر از اعداد – و سپس با دست رنگ آمیزی را شروع کردند تا در نهایت تصویر را آشکار کنند.
در نهایت تصویر، منظرهای متروک و ناهموار با دهانههای عمیق و دشتهای غبارآلود را نشان داد که در تضاد کامل با مناظر آشنای زمین بود و موج جدیدی از علاقه به اکتشاف فضا و امکان دستیابی به جهانهای فراتر از دنیای ما را برانگیخت.
۴. گام سوم – چگونه تصاویر رنگی را رمزگشایی کنیم؟
آنچه در بسیاری از مأموریتهای فضایی انجام میشود تبدیل عکسهای گرفته شده به فایلهای بیت مپ (Bitmap) است. با این کار میتوان تصاویر بزرگ را با تقسیم کردن به تعدادی نقطه مجزا به نام پیکسل (Pixel) و اختصاص دادن یک عدد دو-دویی (باینری) برای توصیف میزان روشنایی هر پیکسل ذخیره کرد.
وقتی دوربین یک فضاپیما تصویری را میگیرد، نور از فیلترهای دوربین عبور میکند و به یک آشکارساز میرسد، جایی که روشنایی هر پیکسل برای هر فیلتر رنگی (معمولاً قرمز، سبز و آبی یا RGB) ثبت می شود تا یک کد رنگی برای هر فیلتر ایجاد شود. نقشهی پیکسلی تصاویر بیت مپ، به طور جداگانه برای هر رنگ به زمین منتقل می شوند، دوباره به کدهای رنگی RGB تبدیل میشوند و سپس برای ایجاد یک تصویر تمام رنگی با هم ترکیب می شوند. علاوه بر رنگها، از فیلترهای دیگری نیز میتوان برای انتخاب خطوط طیفی خاص که مورد علاقه علمی هستند استفاده کرد.
اما همهی اینها که گفتیم در عمل یعنی چه؟
حالا وقتش است که تواناییهای دانشمندانه خود را به نمایش بگذاریم! روی کلید دریافت کاربرگ شماره دو بزنید و مراحل زیر را در فایل صفحات گستردهای که باز میشود انجام دهید. دقت کنید که فایل ۴ برگه (Tab) دارد که با نامهای کد رنگ، نقشه یک، نقشه دو و نقشه سه در بالای صفحه مشخص شدهاند.
مراحل کار
- به برگهی (tab) کد رنگی بروید. اعدادی که در ستون مبنای دو نوشته شدهاند را به اعداد مبنای ۱۰ ببرید و در ستون مربوط به آن بنویسید. میتوانید روش انجام این کار را از اینجا و یا با کمک هوش مصنوعیای که به آن عادت دارید یادبگیرید.
- نقشه شماره یک را با توجه به کدهای رنگی که به دست آوردهاید رنگ کنید. دقت کنید که پس از کامل شدن، با تغییر بزرگنمایی صفحه، میتوانید تمام عکس را یک جا ببینید.
- از روش مشابه مرحله قبل برای رنگ کردن نقشه شماره دو استفاده کنید. همچنین میتوانید یک اسکریپت یا قانون برای رنگ آمیزی خودکار پیکسل ها ایجاد کنید.
- نقشه سوم را هم با روش دلخواه خود (دستی یا اسکریپت) رنگ کنید. حالا سه نقشه را با هم مقایسه کنید. چه شباهتها و تفاوتهایی میان آنها وجود دارد؟
- روشی که برای رنگ کردن با اسکریپ را به کار گرفتید یک بار دیگر مرور کنید. کدام قسمت آن قابل بهبود است؟ چه بخشی از آن را میتوانید تغییر دهید تا اسکریپت کوتاهتر شود؟
۵. نتیجهگیری
فضاپیماها، تلسکوپهای فضایی و دوربینهای آنها تنها چشمان ما در فضا برای کشف و کاوش دنیای شگرف اطرافمان هستند. در این فعالیت، یادگرفتیم که این دوربینها برای انتقال تصاویری که از جایجای جهان میگیرند به ما، ابتدا آنها را به تصاویر (نقشههای) بیت مپ تبدیل میکنند و سپس آنها را به وسیله امواج رادیویی به زمین میفرستند.
با انجام فعالیتهای بالا مراحل رمزگذاری و رمزگشایی تصاویر فضایی را به شیوهای ساده شده تمرین کردیم. همچنین یادگرفتیم که برای پیدا کردن و تصمیم گرفتن درباره شیوهی اجرای کارها، از روش بارش فکری استفاده کنیم.