Группа исследователей из Университета Карнеги-Меллон (Питтсбург, Пенсильвания) создала экспериментальную камеру, способную настраивать резкость для каждого пикселя в отдельности. Это позволяет получать изображения, где все объекты в кадре остаются идеально чёткими, независимо от их положения.
В чём проблема обычных камер?
В стандартных камерах система автофокусировки настраивает резкость на одну определенную дистанцию для всего кадра одновременно (ГРИП). В результате чего объекты на переднем или заднем плане часто оказываются размытыми.
Для макро- или пейзажной съемки это может вызывать определенные ограничения. Для их снятия существуют методы, но у каждого есть свои минусы.
Как объясняют исследователи, можно использовать технику фокус-стекинга, когда несколько снимков с разной фокусировкой объединяются в один. Однако этот способ требует, во-первых, чтобы объект был абсолютно неподвижен, и, во-вторых, не подходит для динамичных сцен, что является следствием из предыдущего.
Другой метод — сильно закрыть диафрагму — увеличивает глубину резкости, но физическое явление дифракции значительно снижает общее разрешение и детализацию изображения.
Камеры светового поля (устройства, фиксирующие не только интенсивность и цвет света, как обычные камеры, но и направление, откуда исходят световые лучи, что позволяет менять точку фокусировки уже после съемки) тоже не являются идеальным решением, поскольку жертвуют разрешением.
Либо может использоваться широкое фокусное расстояние, где с определенной дистанции все дальнейшие объекты съемки будут находиться условно в фокусе (гиперфокальное расстояние), но опять таки — это не подходит для макросъемки, а для пейзажной и рекламной съемки может быть важна глубина резкости.
Как работает новая камера?
Разработанная система использует пространственно-вариативный автофокус. Это означает, что разные участки матрицы могут фокусироваться на разных дистанциях независимо друг от друга, создавая гибкую, «свободную» глубину резкости, которая точно повторяет геометрию сцены.
В основе их конструкции лежит усовершенствованная оптика. Исследователи разработали вычислительную линзу Split-Lohmann, которая «может пространственно варьировать фокусное расстояние».
Если по-простому, эта линза может независимо фокусироваться на разных плоскостях в различных частях матрицы благодаря использованию центрального пространственного светового модулятора (SLM).
Процесс съемки состоит из двух этапов. Сначала камера создает карту глубины сцены.
Затем система точно наклоняет центральный SLM, чтобы сфокусировать свет, отражённый от объектов на разных расстояниях, именно на тех пикселях, где это необходимо.
Для своего прототипа исследователи использовали камеру Canon EOS R10. Ключевым преимуществом этой модели является Dual Pixel CMOS сенсор.
В этой технологии каждый пиксель сенсора состоит из двух отдельных фотодиодов. Это позволяет каждому пикселю одновременно участвовать в фазовом автофокусе и захвате изображения, что идеально подходит для быстрого и точного построения карты глубины, необходимой для работы новой системы.
Поскольку метод полностью оптический и не требует сложной цифровой обработки, он подходит даже для съёмки динамичных сцен. Эта технология открывает значительные перспективы для областей, где критически важна полная резкость по всему кадру. Среди них:
- Машинное обучение и робототехника: для точного распознавания объектов в трёхмерном пространстве.
- Наблюдение и безопасность: чтобы все детали на записи, от ближнего плана до фона, были чёткими.
- Микроскопия: для получения резких изображений неровных поверхностей образцов без потери детализации.