Створена безлинзовий камера нового типу. Немає об'єктива - немає проблем

Дослідники з легендарної Bell Laboratories недавно описали новий перспективний вид безлинзовий камер - з одним містить світлочутливі елементи і масивом діафрагм. Знімати їм будуть аж ніяк не портрети і не тільки у видимому світлі.

Довгий час під безлинзовий камерою розумілася відома ще до нашої ери камера-обскура або її сучасні спадкоємці - стінопис (Пінхол). При невисокій деталізації зображення вони привертають нескінченної глибиною різкості і знаходять свої специфічні області застосування.

Силуетна зйомка безлинзовий камерою Pinholga (фото: Chris Keeney)

В силу компактності Пінхол популярні в мобільних пристроях і системах відеоспостереження (особливо прихованого). Саморобні обскури і перероблені під стінопис фотоапарати досі мають художнє і практичне значення. Подивіться, наприклад, як ентузіасти використовують дешеву п'ятимегапіксельною "мильницю" в безлинзовий мікроскопії.

Нещодавно група співробітників Bell Laboratories під керівництвом Гана Хуана розробила принципово інший метод отримання зображень, що відрізняється малим об'ємом необхідних для їх опису даних. У прототипі камери не просто відсутня об'єктив - змінений сам принцип зйомки.

У звичайному цифровому фотоапараті відбитий від об'єкта світло збирається системою лінз об'єктива і через отвір діафрагми потрапляє на світлочутливу матрицю. Передана нею інформація надлишкова, що призводить до необхідності використовувати пам'ять великого обсягу і алгоритми стиснення. Останні діляться на компресію без втрат (оптимізована запис RAW знімків) і з огрубіння зображення (JPEG різного ступеня стиснення). Внесені лінзами об'єктива геометричні спотворення і хроматичні аберації частково усуваються програмним способом.

Дослідники з Bell Laboratories пішли іншим шляхом. Ключова особливість їх методики зйомки полягає в усуненні надмірності вже на етапі отримання зображення. Раніше інший дослідник - Веньлін Гон з Шанхайського інституту оптики і точної механіки встановив , Що в цьому випадку буде потрібно приблизно в сто разів менше даних. Втім, це не єдина цікава особливість методу.

Пристрій безлинзовий камери. Зліва - ЖК-панель. Праворуч - плата з парою однопіксельні сенсорів (виділені червоним). Фото: Bell Labs

Описуваний в статті прототип безлинзовий камери з Bell Labs складається з двох елементів: однопіксельні світлочутливого елемента (їх може бути декілька) та рідкокристалічний панелі. Остання відіграє роль масиву діафрагм, що регулює характер світлопропускання.

Положення відкритих і закритих пікселів панелі змінюється випадковим чином через задані інтервали часу. Одержуваний сигнал кожного разу порівнюється з усіма попереднім. У підсумку виходить набір вимірювань, що описують одну ту ж картину. Кореляція між ними обумовлена ​​виключно впливом орендованих об'єктів, так як набір відкритих пікселів змінювався випадковим чином. За виявленими відповідностям відновлюється зображення, а надлишкові дані автоматично фільтруються.

Принцип роботи безлинзовий камери з одиничним однопіксельні сенсором (фото: Bell Labs)

Метод базується на теоремі відліків, сформульованої і доведеною в 1933 році Володимиром Олександровичем Котельниковим. З ідеологічних причин за кордоном вона отримала назву «теореми Найквіста - Шеннона», хоча обидва шанованих автора мають до неї досить опосередковане відношення.

Згідно з її положеннями аналоговий сигнал з обмеженим по ширині спектром (в даному випадку - світло, що використовується для отримання зображення об'єкта) може бути відновлений без втрат за значеннями його амплітуди в певний момент часу, виміряним з певною частотою.

Досвідчені фотографи куди більше уваги приділяють характеристикам об'єктива, ніж самого фотоапарата, тому що якщо зображення буде спочатку «замиленим», то ніяка матриця і алгоритми обробки його не врятують. Тут же об'єктив не потрібен зовсім.

Відсутність об'єктива усуває зазвичай вносяться їм аберації і втрати світла, знімає проблему точності і швидкості фокусування оптичної системи, істотно спрощуючи її.

Підсумковий знімок виходить без геометричних спотворень (ортоскопіческім), а всі об'єкти на ньому завжди знаходяться в фокусі через нескінченної глибини різкості.

Ступінь деталізації можлива практично будь-яка. Вона безпосередньо залежить від кількості вимірювань, тобто тривалості зйомки. Мінус цього в тому, що отримати чіткий портрет таким чином явно не вийде. Якість буде приблизно як у перших фотоапаратів, перед якими сидіти треба було довго і нерухомо.

Однак є і позитивні сторони. За допомогою одного і того ж методу тепер можна робити як швидкі контурні замальовки, так і максимально точні знімки статичних об'єктів.

Перше часто потрібно в навігації і системах автопілотування. Наприклад, дрону досить визначити межі найближчих перешкод. Він не оцінить красу квітучої сакури, з яким би дозволом її ні зняв: від гілок б ухилитися.

З кількома світлочутливими елементами можна вже отримати уявлення про обсяг предметів і обчислити відстань до них без використання лидара.

Принцип роботи безлинзовий камери з парою однопіксельні датчиків

Безлинзовий камеру можна навіть перетворити в лідар, як це вже зробила група під керівництвом Веньлін Гона. Вони використовували імпульси зеленого лазера тривалістю 10 нс і реєструвала тільки його відбите світло. Інформація про дистанції до об'єкта виходила шляхом вимірювання часу проходження променя. Реєстрація виконувалася через пікселі РК-панелі, що відкриваються на відомі тимчасові інтервали.

Використання безлинзовий камери в якості лидара. Зліва - звичайна фотографія віддаленого будівлі довгофокусним об'єктивом. Праворуч - відтворене зображення за характером відображення зеленого лазера (фото: Wenlin Gong / Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics)

Тривале вивчення щодо статичних об'єктів затребуване в наукових дослідженнях і картографії. У прототипі світлочутливий елемент складається з трьох субпікселів (RGB), але ніщо не заважає використовувати сенсор іншого типу і отримувати знімки, наприклад, в інфрачервоному діапазоні.

Це відкриває нові можливості для зйомки в умовах низької освітленості, запиленості, туману і явно знайде застосування в таких областях, як астрофотографія, моніторинг навколишнього середовища, вивчення клімату і безліч інших.

Безлинзовий камера цікава і тим, що дозволяє помітити рух, зазвичай вислизає від погляду і традиційних методів спостереження.