Пленоптическая камера

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Пленоптическая камера Lytro

Пленопти́ческая ка́мера (от лат. plenus, полный + др.-греч. ὀπτικός, зрительный [1]), также ка́мера светово́го по́ля — 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 код]

Пример изменения дистанции фокусировки на готовом снимке

Впервые регистрация светового поля с помощью микролинзового растра была предложена в 1908 году Габриэлем Липпманом[2]. Интегральная фотография таким способом записывает свет, отражённый непосредственно от снимаемых объектов, обеспечивая многоракурсное объёмное изображение. Из-за сложностей получения ортоскопического изображения и появления голографии с аналогичными возможностями, технология не получила практического применения[3].

В 1992 году Эдельсон и Ван расположили микролинзовый растр в фокальной плоскости обычного объектива, регистрируя световое поле в пространстве его изображений. Камера с таким устройством получила название «пленоптической», осуществив замысел авторов по созданию стереопар единственным объективом и решению проблемы параллактического несоответствия краёв снимка[4]. Технология стала возможна благодаря появлению цифровой фотографии, преобразующей изображение за микролинзовым растром непосредственно в данные для вычисления параметров светового поля[5].

ПЗС-матрица находится позади растра и каждый микрообъектив строит на её поверхности элементарное изображение выходного зрачка объектива. Из-за разницы ракурсов, элементарные изображения в разных частях кадра отличаются друг от друга, неся информацию об объёме снимаемых объектов и о направлении световых пучков. При дешифровке полученной совокупности изображений создаётся виртуальная векторная модель светового поля, описывающая направление и интенсивность световых пучков в пространстве изображений объектива[6]. В результате на основе этой модели может быть воссоздана картина распределения освещённости в любой из сопряжённых фокальных плоскостей[7].

Перефокусировка изображения[править | править код]

Таким образом, кроме задач, непосредственно поставленных разработчиками, пленоптическая камера оказалась пригодной в совершенно неожиданном качестве, позволяя осуществлять точную фокусировку на уже готовых снимках. Для этого при дешифровке достаточно задать положение сопряжённой фокальной плоскости, в которой требуется вычислить распределение освещённости[8].

Более того, сложение нескольких вариантов дешифровки одного и того же снимка, «сфокусированных» на разные дистанции, позволяет получать снимки с «бесконечной» глубиной резкости при полностью открытой диафрагме[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[7].

Главный недостаток такой системы — низкое разрешение итогового снимка, зависящее не от характеристик матрицы, а от количества микролинз в растре[9]. Из-за этих особенностей разрешающая способность камер светового поля описывается не в мегапикселях, а в «мегалучах»[10]. Более дешёвая конструкция предусматривает использование вместо массива микролинз теневого растра, состоящего из отверстий. Каждое из них работает, как камера-обскура, создавая элементарное изображение выходного зрачка со своего ракурса. Растровая маска исключает артефакты, получаемые из-за аберраций линзового растра, но снижает светосилу всей системы.

Применение камеры светового поля[править | править код]

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[8]. 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 слежение за движущимися объектами[11]. Записи с камер безопасности, основанных на этой технологии, в случае каких-либо происшествий могут быть использованы для создания информативных 3D-моделей подозреваемых[12][13]. 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 без снижения апертуры. Технология уже используется в микроскопах серии «Eclipse» компании Nikon[5].

Существующие пленоптические камеры[править | править код]

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[14]. Исследователь фотографии светового поля Рен Энджи (англ. Ren Ng) на основе этой работы написал диссертацию, а в 2006 году основал проект Lytro[8] (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[14].

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[15]. 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[16]. Более того, система позволяет создавать трёхмерные фотографии, абсолютно резко отображающие объекты, находящиеся на любых расстояниях, комбинируя резкие участки разных «слоёв» снимка. Компания Nokia инвестирует в разработку миниатюрной пленоптической камеры с линзовым растром из 16 ячеек[17].

В апреле 2016 года анонсирован выпуск цифровой кинокамеры «Lytro Cinema» с физическим разрешением матрицы 755 мегапикселей[18][19]. 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[20]. 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[21][22].

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Definition of plenoptic
  2. Техника объёмной фотографии, 1978, с. 36.
  3. Техника объёмной фотографии, 1978, с. 43.
  4. 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.)
  5. 1 2 3 Александр Сергеев. От мегапикселей к мегалучам. журнал «Наука в фокусе» (2012). Дата обращения: 17 июля 2019.
  6. MediaVision, 2012, с. 71.
  7. 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.)
  8. 1 2 3 Владимир Родионов. Работа с файлами. Камера Lytro. iXBT.com (7 сентября 2012). Дата обращения: 5 июля 2014.
  9. Publications on Lightffields (англ.). Todor Georgiev. Дата обращения: 5 июля 2014.
  10. Lytro Camera: первая в мире коммерческая пленоптическая фотокамера. Новости. ITC (20 октября 2011). Дата обращения: 5 июля 2014.
  11. «Полидиоптрические» камеры Архивная копия от 17 июня 2011 на Wayback Machine отлично подходят для слежения за движущимися объектами.  (англ.)
  12. Учёные в области компьютерных технологий создали «камеру светового поля», которая исключает создание нечётких фотографий. Энн Стрехлов (англ. Anne Strehlow). Отчёт Стэнфордского института. 3 Ноября 2005 года.  (англ.)
  13. Олег Нечай. Что будет после 3D: пленоптическое видео. журнал «Компьютерра» (11 апреля 2013). Дата обращения: 12 июля 2019.
  14. 1 2 MediaVision, 2012, с. 72.
  15. Lytro vs Mask Based Light Field Camera (англ.) (недоступная ссылка). Unimacs. Дата обращения: 5 июля 2014. Архивировано 31 декабря 2013 года.
  16. Jonathon Keats. The sharpest shooting camera (англ.). How It Works. Popular Science. Дата обращения: 8 июля 2014. Архивировано 17 января 2008 года.
  17. Sharif Sakr. Pelican Imaging's 16-lens array camera coming to smartphones next year (англ.). News. Engadget. Дата обращения: 5 июля 2014.
  18. Lytro Cinema — камера светового поля стоимостью 125 000 долларов, предназначенная для кинокомпаний. iXBT.com (13 апреля 2016). Дата обращения: 11 июня 2017.
  19. LYTRO BRINGS REVOLUTIONARY LIGHT FIELD TECHNOLOGY TO FILM AND TV PRODUCTION WITH LYTRO CINEMA (англ.) (недоступная ссылка). Пресс-релиз. Lytro. Дата обращения: 11 июня 2017. Архивировано 20 декабря 2016 года.
  20. THE ULTIMATE CREATIVE TOOL FOR CINEMA AND BROADCAST (англ.) (недоступная ссылка). Lytro. Дата обращения: 11 июня 2017. Архивировано 17 мая 2017 года.
  21. MediaVision, 2016, с. 39.
  22. Rishi Sanyal, Jeff Keller. Change of focus: 755 MP Lytro Cinema camera enables 300 fps light field video (англ.). DPReview (11 April 2016). Дата обращения: 11 июня 2017.

Литература[править | править код]

  • В. И. Власенко. Глава III. Интегральная фотография // Техника объёмной фотографии / А. Б. Долецкая. — М.: «Искусство», 1978. — С. 36—66. — 102 с. — 50 000 экз.
  • Алекс Мастер. Камера Lytro Cinema (рус.) // «MediaVision» : журнал. — 2016. — № 5. — С. 37—39.

Ссылки[править | править код]

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