Цифровой журнал «Компьютерра» № 176 - Коллектив Авторов

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.

http://www.youtube.com/watch?v=SzNjJ8_zT-A

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

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)

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

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)

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.

К оглавлению

Загадка Гиперлуп: как именно Элон Маск надеется провернуть транспортную революцию?

Евгений Золотов

Опубликовано 05 июня 2013

Мы живём в эпоху глобальных кризисов. Наряду с энергетическим, водным, межрелигиозным человечество переживает ещё и кризис транспортный. Оглянитесь! Личный автомобиль — штука удобная, но в высшей степени эгоистичная и неэффективная: львиную долю энергии он тратит на то, чтобы тащить себя самое. Общественный транспорт куда лучше расходует пространство и топливо, но ценою личных удобств. Кроме того, самолёты дороги, корабли медлительны, поезда ходят по расписанию. А сверх всего все они ещё и подвержены авариям. Золотой середины, объединившей бы преимущества и устранившей недостатки, пока не придумано. Но надежда, естественно, есть, и сейчас она особенно крепка: за транспортную проблему взялся человек, для которого, кажется, не существует слова «невозможно».

Я говорю об Элоне Маске, которого часто называют «Джобсом 2.0». И ещё неизвестно, кому больше льстит такое определение. С основателем Apple их роднит невероятный энтузиазм и работоспособность: как известно, за что бы ни брался Джобс, он если и не решал задачу, то, по крайней мере, заставлял о ней говорить и тем приближал решение. Но у Маска послужной список всё-таки красивей. Уроженец ЮАР, учившийся в Канаде и въехавший в США по чудаковатому пропуску (если верить легенде, он получил американское гражданство как мастер игры в подводный хоккей), Маск приложил руку или непосредственно основал и управляет целой серией замечательных — и, главное, успешных! — бизнесов. Своё состояние он сколотил как сооснователь PayPal, после чего взрастил SpaceX (единственное сегодня частное предприятие, планомерно доставляющее грузы на и с МКС), Tesla Motors (похоже, единственного прибыльного автопроизводителя, специализирующегося на электромобилях), Solar City (крупнейшего в Соединённых Штатах установщика домашних и офисных солнечных батарей с оригинальной бизнес-моделью).

Временами Маск, конечно, перегибает с энтузиазмом. Например, он считает что умереть на Марсе будет круто. Поднимите руку, кто хотел бы такой судьбы?

В результате продолжительность его рабочей недели уже превышает сто часов. Но прошлым летом Маск обмолвился, что трудится ещё над одним проектом. На мелочи он не разменивается принципиально, уделяя внимание только проблемам, имеющим критическую важность для цивилизации. Вот почему ракеты, вот почему интернет, вот почему чистая энергия. И вот почему Hyperloop.