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 или цифровая видеокамера, фиксирующие не распределение освещённости в плоскости действительного изображения объектива, а создаваемое им векторное поле световых лучей (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]

Пример изменения дистанции фокусировки на готовом снимке

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 решётка (растр), состоящая из сферических микролинз. В прозрачных растрах чередуются прозрачные и непрозрачные элементы, отражательные растры состоят из зеркально отражающих и поглощающих (или рассеивающих) элементов. 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 векторная модель светового поля, описывающая направление и интенсивность световых пучков, исходящих из объектива[3]. 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»[4]. 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[5][6]. 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[6].

Главный недостаток такой системы — низкое разрешение итогового снимка, зависящее не от характеристик матрицы, а от количества микролинз в растре[7].

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[5]. 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[8]. Записи с камер безопасности, основанных на этой технологии, в случае каких-либо происшествий могут быть использованы для создания точных 3D-моделей подозреваемых[9][источник не указан 2040 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 2005 году студентами Стэнфордского университета на основе зеркального фотоаппарата «Contax 645» была создана камера, работающая по таким принципам. Перед матрицей цифрового задника была установлена пленоптическая насадка, состоящая из множества микролинз[10]. Исследователь фотографии светового поля Рен Энджи (англ. Ren Ng) на основе этой работы написал диссертацию, а в 2006 году основал проект Lytro[5] (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 при поддержке Стива Джобса компания объявила о приеме заказов на разработанную ею камеру, которая стала доступна в продаже в октябре того же года. При разрешающей способности 11 мегалучей камера обеспечивала физическое разрешение 1080×1080 пикселей[10].

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[11]. 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[12]. 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[13].

В апреле 2016 года анонсирован выпуск цифровой кинокамеры «Lytro Cinema» с физическим разрешением матрицы 755 мегапикселей[14][15]. Разработчики утверждают, что новая камера стоимостью 125 тысяч долларов избавляет от необходимости использования технологий блуждающей маски и хромакея, поскольку возможно послойное разделение изображений, находящихся на разных расстояниях от камеры[16]. Кроме того, снятые камерой видеоданные формата lpf, пригодны для создания как «плоских» кинокартин 2D, так и стереофильмов 3D. Главным достоинством «Lytro Cinema» считается возможность отказа от профессии фокус-пуллера, неустранимые ошибки которого неизбежны при любой квалификации. Фокусировка на сюжетно важные объекты съёмки может быть выполнена на уже отснятом материале с высокой точностью и произвольной скоростью перевода[17][18].

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. MediaVision, 2012, с. 71.
  4. Lytro Camera: первая в мире коммерческая пленоптическая фотокамера (рус.). Новости. ITC (20 октября 2011). Проверено 5 июля 2014.
  5. 1 2 3 Владимир Родионов. Работа с файлами (рус.). Камера Lytro. iXBT.com (7 сентября 2012). Проверено 5 июля 2014.
  6. 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.)
  7. Publications on Lightffields (англ.). Todor Georgiev. Проверено 5 июля 2014.
  8. «Полидиоптрические» камеры отлично подходят для слежения за движущимися объектами.  (англ.)
  9. 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.)
  10. 1 2 MediaVision, 2012, с. 72.
  11. Lytro vs Mask Based Light Field Camera (англ.). Unimacs. Проверено 5 июля 2014.
  12. Jonathon Keats. The sharpest shooting camera (англ.). How It Works. Popular Science. Проверено 8 июля 2014.
  13. Sharif Sakr. Pelican Imaging's 16-lens array camera coming to smartphones next year (англ.). News. Engadget. Проверено 5 июля 2014.
  14. Lytro Cinema — камера светового поля стоимостью 125 000 долларов, предназначенная для кинокомпаний (рус.). iXBT.com (13 апреля 2016). Проверено 11 июня 2017.
  15. LYTRO BRINGS REVOLUTIONARY LIGHT FIELD TECHNOLOGY TO FILM AND TV PRODUCTION WITH LYTRO CINEMA (англ.). Пресс-релиз. Lytro. Проверено 11 июня 2017.
  16. THE ULTIMATE CREATIVE TOOL FOR CINEMA AND BROADCAST (англ.). Lytro. Проверено 11 июня 2017.
  17. MediaVision, 2016, с. 39.
  18. Rishi Sanyal, Jeff Keller. Change of focus: 755 MP Lytro Cinema camera enables 300 fps light field video (англ.). DPReview (11 April 2016). Проверено 11 июня 2017.

Литература[править | править вики-текст]

  • Алекс Мастер Камера Lytro Cinema (рус.) // «MediaVision» : журнал. — 2016. — № 5. — С. 37—39.

Ссылки[править | править вики-текст]

  • 3D Light Field Camera Technology (англ.). Производитель пленоптических камер Raytrix GmgH. Проверено 1 марта 2015.