Исследователи из легендарной Bell Laboratories недавно описали новый перспективный вид безлинзовых камер – с одним светочувствительным элементом и массивом диафрагм. Снимать им будут отнюдь не портреты и не только в видимом свете.

Долгое время под безлинзовой камерой понималась известная ещё до нашей эры камера-обскура или её современные наследники – стенопы (пинхолы). При невысокой детализации изображения они привлекают бесконечной глубиной резкости и находят свои специфические области применения.

Силуэтная съёмка безлинзовой камерой Pinholga (фото: Chris Keeney)
Силуэтная съёмка безлинзовой камерой Pinholga (фото: Chris Keeney)

В силу компактности пинхолы популярны в мобильных устройствах и системах видеонаблюдения (особенно скрытого). Самодельные обскуры и переделанные под стенопы фотоаппараты до сих пор имеют художественное и практическое значение. Посмотрите, к примеру, как энтузиасты используют дешёвую пятимегапиксельную «мыльницу» в безлинзовой микроскопии.

Недавно группа сотрудников Bell Laboratories под руководством Гана Хуана разработала принципиально иной метод получения изображений, отличающийся малым объёмом требуемых для их описания данных. В прототипе камеры не просто отсутствует объектив – изменён сам принцип съёмки.

В обычном цифровом фотоаппарате отражённый от объекта свет собирается системой линз объектива и через отверстие диафрагмы попадает на светочувствительную матрицу. Передаваемая ею информация избыточна, что приводит к необходимости использовать память большого объёма и алгоритмы сжатия. Последние делятся на компрессию без потерь (оптимизированная запись RAW снимков) и с огрублением изображения (JPEG разной степени сжатия). Вносимые линзами объектива геометрические искажения и хроматические аберрации частично устраняются программным способом.

Исследователи из Bell Laboratories пошли другим путём. Ключевая особенность их методики съёмки заключается в устранении избыточности уже на этапе получения изображения. Ранее другой исследователь – Вэньлинь Гон из Шанхайского института оптики и точной механики установил, что в этом случае потребуется примерно в сто раз меньше данных. Впрочем, это не единственная интересная особенность метода.

Устройство безлинзовой камеры. Слева - ЖК-панель. Справа - плата с парой однопиксельных сенсоров (выделены красным). Фото: Bell Labs
Устройство безлинзовой камеры. Слева — ЖК-панель. Справа — плата с парой однопиксельных сенсоров (выделены красным). Фото: Bell Labs

Описываемый в статье прототип безлинзовой камеры из Bell Labs состоит из двух элементов: однопиксельного светочувствительного элемента (их может быть несколько) и жидкокристаллической панели. Последняя играет роль массива диафрагм, регулирующего характер пропускания света.

Положение открытых и закрытых пикселей панели изменяется случайным образом через заданные интервалы времени. Получаемый сигнал каждый раз сравнивается со всеми предыдущим. В итоге получается набор измерений, описывающих одну ту же картину. Корреляция между ними обусловлена исключительно влиянием снимаемых объектов, так как набор открытых пикселей менялся случайным образом. По обнаруженным соответствиям восстанавливается изображение, а избыточные данные автоматически отфильтровываются.

Принцип работы безлинзовой камеры с единичным однопиксельным сенсором (фото: Bell Labs)
Принцип работы безлинзовой камеры с единичным однопиксельным сенсором (фото: Bell Labs)

Метод базируется на теореме отсчётов, сформулированной и доказанной в 1933 году Владимиром Александровичем Котельниковым. По идеологическим причинам за рубежом она получила название «теоремы Найквиста – Шеннона», хотя оба уважаемых автора имеют к ней довольно косвенное отношение.

Согласно её положениям аналоговый сигнал с ограниченным по ширине спектром (в данном случае – свет, используемый для получения изображение объекта) может быть восстановлен без потерь по значениям его амплитуды в определённый момент времени, измеренным с определённой частотой.

Опытные фотографы куда больше внимания уделяют характеристикам объектива, чем самого фотоаппарата, потому что если изображение будет изначально «замыленным», то никакая матрица и алгоритмы обработки его не спасут. Здесь же объектив не нужен вовсе.

Отсутствие объектива устраняет обычно вносимые им аберрации и потери света, снимает проблему точности и скорости фокусировки оптической системы, существенно упрощая её.

Итоговый снимок получается без геометрических искажений (ортоскопическим), а все объекты на нём всегда находятся в фокусе из-за бесконечной глубины резкости.

Степень детализации возможна практически любая. Она напрямую зависит от количества измерений, то есть длительности съёмки. Минус этого в том, что получить чёткий портрет таким образом явно не получится. Качество будет примерно как у первых фотоаппаратов, перед которыми сидеть надо было долго и неподвижно.

Однако есть и положительные стороны. При помощи одного и того же метода теперь можно делать как быстрые контурные зарисовки, так и максимально точные снимки статичных объектов.

Первое часто требуется в навигации и системах автопилотирования. Например, дрону достаточно определить границы ближайших препятствий. Он не оценит красоту цветущей сакуры, с каким бы разрешением её ни снял: от веток бы увернуться.

С несколькими светочувствительными элементами можно уже получить представление об объёме предметов и вычислить расстояние до них без использования лидара.

Принцип работы безлинзовой камеры с парой однопиксельных датчиков
Принцип работы безлинзовой камеры с парой однопиксельных датчиков

Безлинзовую камеру можно даже превратить в лидар, как это уже сделала группа под руководством Вэньлинь Гона. Они использовали импульсы зелёного лазера длительностью 10 нс и регистрировала только его отражённый свет. Информация о дистанции до объекта получалась путём измерения времени прохождения луча. Регистрация выполнялась через пиксели ЖК-панели, открываемые на известные временные интервалы.

Использование безлинзовой камеры в качестве лидара. Слева - обычная фотография удалённого здания длиннофокусным объективом. Справа - восстановленное изображение по характеру отражения зелёного лазера (фото: Wenlin Gong / Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics)
Использование безлинзовой камеры в качестве лидара. Слева — обычная фотография удалённого здания длиннофокусным объективом. Справа — восстановленное изображение по характеру отражения зелёного лазера (фото: Wenlin Gong / Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics)

Длительное изучение относительно статичных объектов востребовано в научных исследованиях и картографии. В прототипе светочувствительный элемент состоит из трёх субпикселей (RGB), но ничто не мешает использовать сенсор другого типа и получать снимки, например, в инфракрасном диапазоне.

Это открывает новые возможности для съёмки в условиях низкой освещённости, запылённости, тумана и явно найдёт применения в таких областях, как астрофотография, мониторинг окружающей среды, изучение климата и множество других.

Безлинзовая камера интересна и тем, что позволяет заметить движение, обычно ускользающее от взгляда и традиционных методов наблюдения.