Новый класс видеоустройств без линз и лишь с одним светочувствительным сенсором может произвести революцию в захвате изображений оптического, инфракрасного и миллиметрового диапазона.
Традиционный способ получения картинки, которому уже как минимум 150 лет, основывается на линзах для передачи картинки и устройства, фиксирующего фотоны в виде набора пикселей, светочувствительной пленки или даже сетчатки глаза. Но глобальная революция, которая в настоящее время происходит в мире захвата изображений, вскоре может изменить эти системы.
Эта революция основана на технике, которая называется сжатая чувствительность, которая включает в себя идею того, что множество обычных захватов имеют высокую избыточность. Это обозначает, что можно получить те же данные лишь с небольшим количеством избранных захватов.
Сложность, конечно, заключается в том, какие именно захваты следует оставить и как их отсеивать. Различные команды в недавнем времени экспериментировали с этой идеей. В январе этого года, к примеру, мы могли наблюдать одну группу, которая создавала трехмерное изображение таким образом, базируясь всего на одном пикселе.
Эта революция возможна в настоящее время благодаря Гангу Хуангу и его друзьям из Bell Labs в Нью Джерси, которые утверждают, что они получили сжатую чувствительность, создав камеру, которой не требуется линз и которая использует лишь один светочувствительный пиксель для получения фотографий. И главное то, что фотографии этой камеры никогда не расфокусированы.
Устройство довольно простое по своей сути. «Архитектура состоит из двух компонентов: апертурной решетки и сенсора. Безо всяких линз», поясняет Хуанг со свое компанией. Она состоит из LCD-панели, которая действует в виде набора апертур, каждая из которых позволяет лучу света проникать внутрь к единственному сенсору, способному фиксировать цветовую триаду. Каждая апертура LCD-набора адресуется индивидуально и таким образом может быть открыта, чтобы позволить свету проникнуть сквозь нее, или может закрыться. Важным аспектом получения изображений таким образом является то, что набор открытых и закрытых апертур должен быть произвольным.
Процесс получения изображения линеен. Он начинается с того, что сенсор записывает свет от сцены, который прошел сквозь случайный набор апертур в LCD-панели. Затем он записывает свет от другого случайного набора и так несколько раз.
Хотя они кажутся случайными, но каждый захват коррелирует с другими, так как они записывают одну и ту же сцену различными способами. И это и является ключом к тому, что использует команда исследователей для воссоединения изображения. Процесс сжатой чувствительности анализирует данные, отыскивая эту корреляцию, чтобы потом воссоздать изображение. Конечно, чем больше сделано захватов, тем лучше будет конечная картинка. Но возможно получить довольно неплохое изображение, используя лишь небольшой кусочек данных, которых требует обычный снимок.
К примеру Bell Labs получили изображение книги, используя лишь четверть данных, которых они захватили. Если быть точным, то чем меньше деталей на изображении, тем меньше требуется данных для получения его.
Эта революционная безлинзовая камера имеет множество преимуществ перед обычными камерами. Первое из них заключается в том, что требуется совсем немного данных для получения изображения. Без линз изображение не страдает от аберраций и проблем фокусировки, связанных с линзами. Сцена полностью находится в фокусе и разрешение изображений зависит от размера и количества апертур, установленных перед точечным светочувствительным сенсором.
Если использовать два сенсора за апертурной решеткой, то возможно получение двух различных изображений одной и той же сцены за одно время, так как несколько сенсоров создадут несколько изображений.
Что еще более важно, так это то, что устройство достаточно дешево. Хуанг с компанией построили свой прототип, используя дешевые компоненты, завалявшиеся на полке, к которым всякий может иметь доступ на рынке. Что также немаловажно, тот же подход работает и для других длин волн света, таких как инфракрасные или миллиметровые волны. Следовательно вполне возможно создавать относительно дешевые камеры и для этих волновых диапазонов. Недостатком, по крайней мере на настоящий момент является то, что требуется довольно много времени для получения данных по каждому изображению. Таким образом камера может делать фотографии только неподвижных сцен.
Но даже это необходимо для наблюдения, так как требуется сравнивать связанные изображения той же самой сцены, чтобы выявить изменения, или определить скорость движущихся объектов.
Эта довольно внушительная работа, которая скорее всего будет иметь далеко идущие последствия и повлияет на средства записи мира вокруг нас. Вскоре мы надеемся услышать еще новости про сжатые изображения, или изображения-привидения, как их иногда называют.
Ваше мнение