Пленоптическая камера

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Пленоптическая камера Lytro

Пленоптическая камера (от лат. plenus, полный + др.-греч. ὀπτικός, зрительный [1]), также камера светового поля — цифровой фотоаппарат, фиксирующий не распределение освещённости в плоскости действительного изображения объектива, а создаваемое им световое поле. На основе картины светового поля может быть воссоздана наиболее полная информация об изображении, пригодная для создания стереоизображения, фотографий с регулируемыми глубиной резкости и фокусировкой, а также для решения различных задач компьютерной графики.

Принцип действия[править | править вики-текст]

Впервые камера светового поля предложена в 1908 году Габриэлем Липпманом для получения автостереограмм. В 1992 году Эдельсон и Ван разработали конструкцию пленоптической камеры для создания стереопары одним объективом, решающую проблемы параллактического несоответствия краёв снимка[2]. Для достижения эффекта в фокальной плоскости основного объектива фотоаппарата помещается линзовый растр, состоящий из сферических микролинз. ПЗС-матрица находится позади растра и каждый микрообъектив строит на её поверхности элементарное изображение выходного зрачка съёмочного объектива. При дешифровке полученной совокупности изображений создаётся виртуальная модель светового поля, описывающая направление и интенсивность световых пучков, исходящих из объектива. В результате на основе этой модели может быть воссоздана картина распределения освещённости в любой из сопряжённых фокальных плоскостей. Из-за оптических особенностей камер светового поля их разрешающая способность описывается не в мегапикселях, а в «мегалучах»[3].

Более дешёвая конструкция предусматривает использование вместо массива микролинз растра, состоящего из отверстий. Каждое из отверстий работает, как камера-обскура, создавая элементарное изображение. Растровая маска исключает артефакты, получаемые из-за хроматических аберраций линз, но снижает светосилу всей системы.

Перефокусировка изображения[править | править вики-текст]

При использовании изображений, снятых таким образом, возможны последующий выбор плоскости фокусировки и управление глубиной резкости вплоть до создания резкого изображения сцен, протяжённых в глубину. Выбор любой плоскости фокусировки объектива, жёстко сфокусированного на «бесконечность», происходит в процессе дешифровки данных полученного снимка[4][5]. Впервые «перефокусировка» готовой фотографии осуществлена в 2004 году командой из Стэнфордского университета. Для этого была использована 16 мегапиксельная камера с массивом из 90 000 микролинз. Элементарные изображения каждой микролинзы регистрировались с разрешением около 177 пикселей. Разрешение итогового изображения соответствовало количеству микролинз и составило 90 килопикселей[5].

Главный недостаток такой системы — низкое разрешение итогового снимка, зависящее не от характеристик матрицы, а от количества микролинз в растре[6].

Применение камеры светового поля[править | править вики-текст]

В современной практической фотографии использование камеры светового поля нецелесообразно, поскольку существующие образцы значительно уступают обычным цифровым фотоаппаратам в разрешающей способности и функциональности. Так, для получения конечного изображения разрешением всего 1 мегапиксель требуется фотоматрица, содержащая как минимум 10 мегапикселей[4]. При этом, реализация сквозного электронного видоискателя сопряжена с большими сложностями из-за необходимости дешифровки получаемого массива данных в реальном времени. Из-за особенностей технологии съёмка всегда ведётся при максимальном относительном отверстии объектива, исключая регулировку экспозиции при помощи диафрагмы. Существующие классические цифровые фотоаппараты оснащаются эффективным автофокусом, дающим резкие снимки при любых скоростях съёмки и более высоком качестве изображения.

В то же время пленоптические камеры отлично подходят для прикладных задач, таких как слежения за движущимися объектами[7]. Записи с камер безопасности, основанных на этой технологии, в случае каких-либо происшествий могут быть использованы для создания точных 3D-моделей подозреваемых[8][источник не указан 957 дней]. Дальнейшее совершенствование технологии может сделать её пригодной для цифрового 3D-кинематографа, поскольку исключает параллактическое несоответствие краёв кадра, и даёт возможность выбирать плоскость фокусировки на готовом изображении, упрощая работу фокус-пуллера.

Лабораторией компьютерной графики Стэнфордского Университета разработан цифровой микроскоп, работающий по аналогичному принципу с линзовым растром. В микрофотографии возможность регулировки глубины резкости позволяет создавать чёткие изображения сравнительно большой глубины без снижения апертуры.

Существующие пленоптические камеры[править | править вики-текст]

В 2006 году Рен Нг (англ. Ren Ng) — исследователь фотографии светового поля из Стэнфордского университета основал проект Lytro[4] (первоначальное название Refocus Imaging),

« чтобы к концу 2011 года создать конкурентоспособную камеру [светового поля], доступную по цене для потребителя, которая умещалась бы в кармане. »

В 2011 году компания объявила о приеме заказов на разработанную ею камеру, правда, заказать ее пока могут только жители США, причём не более одного фотоаппарата в одни руки.

Электротехнической лабораторией компании Mitsubishi разработана камера светового поля «MERL», основанная на принципе оптического гетеродина и растровой маски, расположенной перед фотоматрицей. Любой среднеформатный цифровой задник может быть трансформирован в пленоптический простой установкой такой маски перед штатным сенсором[9]. При этом из-за принципиальных отличий маски от линзового растра удаётся избежать снижения разрешающей способности.

Компания Adobe Systems разработала альтернативный проект камеры, работающей на иных принципах. Устройство снимает на 100-мегапиксельную матрицу одновременно через 19 объективов, сфокусированных на различные дистанции. В результате на 19 участках матрицы размером 5,2 мегапикселей каждая, получаются отдельные изображения объекта съёмки с разной фокусировкой. Дальнейшая обработка массива данных позволяет выбрать изображение с нужной фокусировкой или совместить разные для расширения глубины резкости[10]. Более того, система позволяет создавать трёхмерные фотографии, абсолютно резко отображающие объекты, находящиеся на любых расстояниях, комбинируя резкие участки разных «слоёв» снимка.

Компания Nokia инвестирует разработку миниатюрной пленоптической камеры с линзовым растром из 16 ячеек[11].

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Definition of plenoptic
  2. E. H. Adelson и J. Y. A. Wang: Стереоснимок одной линзой при помощи пленоптической камеры. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Том 14, № 2, pp. 99-106, Февраль 1992 года.  (англ.)
  3. Lytro Camera: первая в мире коммерческая пленоптическая фотокамера (рус.). Новости. ITC (20 октября 2011). Проверено 5 июля 2014.
  4. 1 2 3 Владимир Родионов. Работа с файлами (рус.). Камера Lytro. iXBT.com (7 сентября 2012). Проверено 5 июля 2014.
  5. 1 2 R. Ng, M. Levoy, M. Bredif, G. Duval, M. Horowitz, and P. Hanrahan. Light Field Photography with a Hand-Held Plenoptic Camera. Stanford University Computer Science Tech Report CSTR 2005-02, Апрель 2005 года.  (англ.)
  6. Publications on Lightffields (англ.). Todor Georgiev. Проверено 5 июля 2014.
  7. «Полидиоптрические» камеры отлично подходят для слежения за движущимися объектами.  (англ.)
  8. Учёные в области компьютерных технологий создали «камеру светового поля», которая исключает создание нечётких фотографий. Энн Стрехлов (англ. Anne Strehlow). Отчёт Стэндфордского института. 3 Ноября 2005 года.  (англ.)
  9. Lytro vs Mask Based Light Field Camera (англ.). Unimacs. Проверено 5 июля 2014.
  10. Jonathon Keats. The sharpest shooting camera (англ.). How It Works. Popular Science. Проверено 8 июля 2014.
  11. Sharif Sakr. Pelican Imaging's 16-lens array camera coming to smartphones next year (англ.). News. Engadget. Проверено 5 июля 2014.

Ссылки[править | править вики-текст]