Пленоптическая камера

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

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

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

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

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),

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

• Интегральная фотография
• Глубина резко изображаемого пространства
• Фикс-фокус
• Голография
• Фасеточные глаза

Примечания

Литература

• 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.

• Алекс Мастер. «Завещание» Стива Джобса или о новой технологии получения изображения (рус.) // «MediaVision» : журнал. — 2012. — № 10. — С. 71—73.

Ссылки

• Проект «Lytro» (англ.). Lytro Inc.. Дата обращения: 1 марта 2015. Архивировано из оригинала 23 июля 2003 года.

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

• Камера «Lytro Illum» в руках пяти ведущих фотографов (англ.). Статьи. DP Review (20 мая 2014). Дата обращения: 1 марта 2015.

Эта страница в последний раз была отредактирована 25 июля 2022 в 03:59.