Исследователи из легендарной Bell Laboratories сравнительно не так давно обрисовали новый перспективный вид безлинзовых камер – с одним массивом диафрагм и светочувствительным элементом. Снимать им будут отнюдь не портреты и не только в видимом свете.
Продолжительное время под безлинзовой камерой понималась узнаваемая ещё до нэ камера-обскура либо её современные наследники – стенопы (пинхолы). При низкой детализации изображения они завлекают нескончаемой глубиной резкости и находят собственные своеобразные области применения.
Силуэтная съёмка безлинзовой камерой Pinholga (фото: Chris Keeney)
В силу компактности пинхолы популярны в системах и мобильных устройствах видеонаблюдения (особенно скрытого). Самодельные обскуры и переделанные под стенопы фотоаппараты до сих пор имеют художественное и практическое значение. Посмотрите, например, как энтузиасты применяют недорогую пятимегапиксельную “мыльницу” в безлинзовой микроскопии.
Сравнительно не так давно несколько сотрудников Bell Laboratories под управлением Гана Хуана создала принципиально другой способ получения изображений, отличающийся малым количеством требуемых для их описания данных. В прототипе камеры не просто отсутствует объектив – поменян сам принцип съёмки.
В простом цифровом фотоаппарате отражённый от объекта свет планирует совокупностью линз объектива и через отверстие диафрагмы попадает на светочувствительную матрицу. Передаваемая ею информация избыточна, что ведет к необходимости применять память громадного количества и методы сжатия. Последние делятся на компрессию без утрат (оптимизированная запись RAW снимков) и с огрублением изображения (JPEG различной степени сжатия). Вносимые линзами объектива хроматические аберрации и геометрические искажения частично устраняются программным методом.
Исследователи из Bell Laboratories пошли вторым путём. Главная изюминка их методики съёмки содержится в устранении избыточности уже на этапе получения изображения. Ранее второй исследователь – Вэньлинь Гон из Шанхайского университета точной механики и оптики установил, что в этом случае потребуется приблизительно в сто раз меньше данных. Но, это не единственная занимательная изюминка способа.
Устройство безлинзовой камеры. Слева – ЖК-панель. Справа – плата с парой однопиксельных сенсоров (выделены красным). Фото: Bell Labs
Обрисовываемый в статье прототип безлинзовой камеры из Bell Labs складывается из двух элементов: однопиксельного светочувствительного элемента (их возможно пара) и жидкокристаллической панели. Последняя играет роль массива диафрагм, регулирующего темперамент пропускания света.
Положение открытых и закрытых пикселей панели изменяется случайным образом через заданные промежутки времени. Приобретаемый сигнал любой раз сравнивается со всеми прошлым. В итоге получается комплект измерений, обрисовывающих одну ту же картину. Корреляция между ними обусловлена только влиянием снимаемых объектов, поскольку комплект открытых пикселей изменялся случайным образом. По найденным соответствиям восстанавливается изображение, а избыточные эти машинально отфильтровываются.
Принцип работы безлинзовой камеры с единичным однопиксельным сенсором (фото: Bell Labs)
Способ базируется на теореме отсчётов, сформулированной и доказанной в первой половине 30-ых годов XX века Владимиром Александровичем Котельниковым. По идеологическим обстоятельствам за границей она стала называться «теоремы Найквиста – Шеннона», не смотря на то, что оба глубокоуважаемых автора имеют к ней достаточно косвенное отношение.
В соответствии с её положениям аналоговый сигнал с ограниченным по ширине спектром (в этом случае – свет, применяемый для получения изображение объекта) возможно восстановлен без утрат по значениям его амплитуды в определённый момент времени, измеренным с определённой частотой.
Умелые фотографы куда больше внимания уделяют чертям объектива, чем самого фотоаппарата, по причине того, что в случае если изображение будет изначально «замыленным», то алгоритмы обработки и никакая матрица его не спасут. Тут же объектив не нужен вовсе.
Отсутствие объектива ликвидирует в большинстве случаев вносимые им потери и аберрации света, снимает скорости фокусировки и проблему точности оптической совокупности, значительно упрощая её.
Итоговый снимок получается без геометрических искажений (ортоскопическим), а все объекты на нём постоянно находятся в фокусе из-за нескончаемой глубины резкости.
Степень детализации вероятна фактически каждая. Она зависит от количества измерений, другими словами длительности съёмки. Минус этого в том, что взять чёткий портрет так очевидно не окажется. Уровень качества будет приблизительно как у первых фотоаппаратов, перед которыми сидеть нужно было продолжительно и без движений.
Но имеется и хорошие стороны. При помощи одного и того же способа сейчас возможно делать как стремительные контурные зарисовки, так и максимально правильные снимки статичных объектов.
Первое довольно часто требуется в системах и навигации автопилотирования. К примеру, дрону достаточно выяснить границы ближайших препятствий. Он не оценит красоту цветущей сакуры, с каким бы разрешением её ни снял: от веток бы увернуться.
С несколькими светочувствительными элементами возможно уже взять представление об количестве предметов и вычислить расстояние до них без применения лидара.
Принцип работы безлинзовой камеры с парой однопиксельных датчиков
Безлинзовую камеру возможно кроме того перевоплотить в лидар, как это уже сделала несколько под управлением Вэньлинь Гона. Они применяли импульсы зелёного лазера длительностью 10 нс и регистрировала лишь его отражённый свет. Информация о дистанции до объекта получалась путём измерения времени прохождения луча. Регистрация выполнялась через пиксели ЖК-панели, открываемые на узнаваемые временные промежутки.
Применение безлинзовой камеры в качестве лидара. Слева – простая фотография удалённого строения длиннофокусным объективом. Справа – восстановленное изображение по характеру отражения зелёного лазера (фото: Wenlin Gong / Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics)
Долгое изучение довольно статичных объектов пользуется спросом в картографии и научных исследованиях. В прототипе светочувствительный элемент складывается из трёх субпикселей (RGB), но нет ничего, что мешает применять сенсор другого типа и приобретать снимки, к примеру, в инфракрасном диапазоне.
Это открывает новые возможности для съёмки в условиях низкой освещённости, запылённости, тумана и очевидно отыщет применения в таких областях, как астрофотография, мониторинг внешней среды, множество и изучение климата вторых.
Безлинзовая камера увлекательна и тем, что разрешает подметить перемещение, в большинстве случаев ускользающее от традиционных методов и взгляда наблюдения.