Ljusfältskamera - Light field camera

Lytro Illum 2: a generationens ljusfältskamera
Fram och bak på en Lytro , den första konsumentljusfältkameran, som visar framlinsen och LCD -pekskärmen

En ljusfältkamera , även känd som en plenoptisk kamera , är en kamera som fångar information om ljusfältet som kommer från en scen; det vill säga ljusintensiteten i en scen, och även den exakta riktningen som ljusstrålarna färdas i rymden. Detta står i kontrast med konventionella kameror, som bara spelar in ljusintensitet.

En typ använder en uppsättning mikrolinser placerade framför en annars konventionell bildsensor för att känna av intensitet, färg och riktningsinformation. Flerkameramatriser är en annan typ. Hologram är en typ av filmbaserad ljusfältbild.

Historia

Tidig forskning

Den första ljusfältkameran föreslogs av Gabriel Lippmann 1908. Han kallade sitt koncept " integrerad fotografering ". Lippmanns experimentella resultat inkluderade grova integrerade fotografier gjorda med hjälp av ett plastark präglat med en vanlig uppsättning mikrolinser, eller genom att delvis bädda in små glaspärlor, tätt packade i ett slumpmässigt mönster, i ytan av den fotografiska emulsionen .

År 1992 föreslog Adelson och Wang en design som minskade korrespondensproblemet i stereomatchning. För att uppnå detta, är en uppsättning av mikrolinser placerade vid fokalplanet för kameran huvudlinsen. Den Bildsensorn är placerad något bakom mikrolinserna. Med hjälp av sådana bilder kan förskjutningen av bilddelar som inte är i fokus analyseras och djupinformation extraheras.

Standardkamera

Detta visar förmågan att ändra brännvidden och skärpedjupet efter att ett foto tagits - Nära fokus (överst), Långt fokus (mitten), Fullt skärpedjup (botten) - med hjälp av Lytro Illum ljusfältskameraprogramvara

"Standarden plenoptisk kamera" är en matematisk modell som används av forskare för att jämföra mönster. Per definition har den mikrolinser placerade en brännvidd bort från bildplanet för en sensor. Forskning har visat att dess maximala baslinje är begränsad till huvudlinsens ingångspupillstorlek som är liten i förhållande till stereoskopiska inställningar. Detta innebär att den "standardoptiska kameran" kan vara avsedd för applikationer på nära håll eftersom den uppvisar ökad djupupplösning på avstånd som kan förutse metriskt baserat på kamerans parametrar.

Fokuserad plenoptisk kamera

År 2004 använde ett team vid Stanford University Computer Graphics Laboratory en 16-megapixelkamera för att visa att bilder kan fokuseras igen efter att de har tagits. Systemet använde en 90 000-mikrolensmatris, vilket gav en upplösning på 90 kilopixel.

Lumsdaine och Georgiev beskrev en design där mikrolinsmatrisen kan placeras före eller bakom huvudlinsens brännplan. Denna modifiering provar ljusfältet på ett sätt som byter vinkelupplösning för högre rumslig upplösning . Med denna design kan bilderna fokuseras på nytt med en mycket högre rumsupplösning än bilder från en vanlig plenoptisk kamera. Den lägre vinkelupplösningen kan dock införa aliasing -artefakter.

Kodad bländarkamera

En design som använde en billig tryckt filmmask istället för en mikrolinsmatris föreslogs 2007. Denna design minskar kromatiska avvikelser och förlust av gränspixlar som ses i mikrolinsuppsättningar och möjliggör större rumslig upplösning. Den maskbaserade designen minskar dock mängden ljus som når bildsensorn, vilket minskar ljusstyrkan.

Lytro

Lytros ljusfältssensor använder en uppsättning mikrolinser placerade framför en annars konventionell bildsensor; att känna intensitet, färg och riktad information. Programvaran använder sedan dessa data för att skapa visningsbara 2D- eller 3D -bilder. Lytro byter maximal 2D -upplösning, vid ett givet avstånd, för förbättrad upplösning på andra avstånd. Användare kan konvertera Lytro -kamerans egenutvecklade bild till en vanlig 2D -bildfil, vid önskat brännvidd. Den maximala Illum 2D -upplösningen är 2450 × 1634 (4,0 megapixlar), 3D -ljusfältets upplösning är 40 "megarays". Den har en maximal 2D -upplösning på 1080 × 1080 pixlar (ungefär 1,2 megapixlar ),

Funktioner

Funktioner inkluderar:

  • Variabelt skärpedjup och "refokusering": Lytros "Focus Spread" -funktion gör att skärpedjupet (skärpedjup) för en tvådimensionell representation av en Lytro -bild kan justeras efter att en bild har tagits. I stället för att ställa in fokus på ett visst avstånd tillåter "Focus Spread" mer av en 2D -bild att vara i fokus. I vissa fall kan detta vara hela 2D -bildfältet. Användare kan också "fokusera" 2D -bilder på särskilda avstånd för konstnärliga effekter. Illum gör det möjligt att välja "refokuserbart" och "Focus Spreadable" -intervall med hjälp av optisk fokus och zoomringar på objektivet. Illum har också "fokusfäste" för att förlänga det refokuserbara intervallet genom att ta tre eller fem på varandra följande bilder på olika djup.
  • Hastighet : Eftersom det är mindre behov av att fokusera objektivet innan du tar en bild, kan en ljusfältskamera ta bilder snabbare än konventionella pek-och-skjut-digitalkameror. Detta är till exempel en fördel vid sportfotografering där många bilder går förlorade eftersom kamerans autofokussystem inte exakt kan spåra ett motiv i snabb rörelse.
  • Låg ljuskänslighet: Möjligheten att justera fokus vid efterbehandling möjliggör användning av större bländare än vad som är möjligt på konventionella kameror, vilket möjliggör fotografering i miljöer med svagt ljus.
  • 3D -bilder : Eftersom en plenoptisk kamera registrerar djupinformation kan stereobilder konstrueras i programvara från en enda plenoptisk bildtagning.

Tillverkare

Konsumentprodukter

Lytro grundades av Stanford University Computer Graphics Laboratory alumnen Ren Ng för att kommersialisera ljusfältkameran som han utvecklade som doktorand. Lytro upphörde sin verksamhet i mars 2018.

Raytrix har erbjudit flera modeller av plenoptiska kameror för industriella och vetenskapliga tillämpningar sedan 2010, med synfält från 1 megapixel.

d'Optron och Rebellion Photonics erbjuder plenoptiska kameror som specialiserat sig på mikroskopi respektive gasläckagedetektering.

Andra kameror

Pelican Imaging har tunna system med flera kameror som är avsedda för konsumentelektronik. Pelicans system använder från 4 till 16 mikrokameror med nära avstånd i stället för en bildsensor med mikrolinser. Nokia investerade i Pelican Imaging för att producera ett plenoptiskt kamerasystem med 16-linsmatris som förväntades implementeras i Nokias smartphones 2014. Pelican gick över till att designa kompletterande kameror som lägger till djupavkännande funktioner till enhetens huvudkamera, snarare än stand- ensam array -kameror.

Den Adobe plenoptisk kamera är en prototyp 100- megapixel kamera som tar en tredimensionell bild av scenen i fokus med 19 unikt konfigurerade linser. Varje objektiv tar ett 5,2 megapixel foto av scenen. Varje bild kan fokuseras senare på vilket sätt som helst.

CAFADIS är en plenoptisk kamera utvecklad av University of La Laguna (Spanien). CAFADIS står (på spanska) för fasavståndskamera, eftersom den kan användas för uppskattning av avstånd och optisk vågfront . Från ett enda skott kan den producera bilder fokuserade på olika avstånd, djupkartor, allfokusbilder och stereopar. En liknande optisk design kan användas i adaptiv optik inom astrofysik .

Mitsubishi Electric Research Laboratories (MERL) ljusfältkamera är baserad på principen om optisk heterodyning och använder en tryckt film (mask) placerad nära sensorn. Varje handhållen kamera kan konverteras till en ljusfältkamera med denna teknik genom att helt enkelt sätta in en billig film ovanpå sensorn. En maskbaserad design undviker problemet med förlust av upplösning, eftersom ett högupplöst foto kan genereras för de fokuserade delarna av scenen.

Stanford University Computer Graphics Laboratory utvecklat en prototyp ljusfält mikroskop med hjälp av en mikrolins-array liknar den som används i deras plenoptisk kamera. Prototypen är byggd kring ett Nikon Eclipse- överfört ljusmikroskop / vidfältsfluorescensmikroskop och vanliga CCD-kameror . Ljusfältinsamling erhålls med en modul som innehåller en mikrolinsmatris och andra optiska komponenter placerade i ljusbanan mellan objektivlinsen och kameran, med den slutliga multifokuserade bilden gjord med hjälp av deconvolution .

En senare prototyp lade till ett ljusfältbelysningssystem bestående av en videoprojektor (som möjliggör beräkningskontroll av belysning) och en andra mikrolinsmatris i mikroskopets belysningsbana. Tillsatsen av ett ljusfältbelysning systemet både tillåtet för ytterligare typer av belysning (såsom sneda belysningen och kvasi- mörkfält ) och korrigering för optiska aberrationer .

Amatörversioner

Modifieringen av vanliga digitalkameror kräver lite mer än lämpliga ark av mikrolinsmaterial, därför har ett antal hobbyister tagit fram kameror vars bilder kan bearbetas för att ge antingen selektiv skärpedjup eller riktningsinformation.

Ansökningar

I en studie från 2017 observerade forskare att införlivande av ljusfältfotograferade bilder i en online -anatomodul inte resulterade i bättre inlärningsresultat jämfört med en identisk modul med traditionella fotografier av dissekerade kadaver.

Plenoptiska kameror är bra för att avbilda snabba rörliga objekt som överträffar autofokusmöjligheter och för bildobjekt där autofokus inte är praktiskt, till exempel med övervakningskameror. En inspelning från en säkerhetskamera baserad på plenoptisk teknik kan användas för att producera en exakt 3D -modell av ett motiv.

Se även

Referenser

externa länkar