Пленоптические камеры: новая эра фотографии
Оснастив конструкцию цифрового фотоаппарата дополнительным оптическим элементом, ученые из Стэнфордского университета реализовали уникальную возможность: настройку фокусировки теперь можно осуществлять программными средствами уже после съемки кадра. Стоит ли говорить, что это изобретение способно совершить настоящую революцию в фотографии, перевернув привычные представления о возможностях съемочной техники.
ак известно, оптическая система фотокамер традиционной конструкции — как пленочных, так и цифровых — позволяет выбрать для каждого снимка лишь одну точку фокусировки. Стоит ошибиться с настройкой фокусировки, и объект на снимке получится нерезким (исключение составляют лишь аппараты, оснащенные гиперфокальными объективами). Исправить подобную оплошность можно лишь путем повторной съемки кадра, однако возможность для этого есть далеко не всегда.
Другое существенное ограничение фотокамер традиционной конструкции — прямая зависимость глубины резко изображаемого пространства (ГРИП) от величины диафрагмы, установленной в момент съемки. Чем больше открыта диафрагма, тем больше света попадает на электронный сенсор, что позволяет использовать более короткую выдержку (что критично при съемке движущихся объектов) и/или устанавливать меньшее значение светочувствительности для минимизации цифрового шума и лучшей проработки теней на получаемом изображении. В то же время по мере открытия диафрагмы происходит уменьшение ГРИП, что далеко не всегда приемлемо с точки зрения стоящей перед фотографом задачи.
Схема оптического тракта пленоптической камеры
Таким образом, фотограф вынужден искать компромисс между величиной диафрагмы и желаемой ГРИП, что в ряде случаев (например, в условиях недостаточной освещенности или при съемке быстро движущихся объектов) неизбежно приводит к ухудшению технического качества снимков, а иногда и к невозможности выполнения поставленной творческой задачи.
Можно ли преодолеть эти ограничения? С появлением первых цифровых фотоаппаратов появилась надежда на то, что когда-нибудь на этот вопрос можно будет получить утвердительный ответ. Так, в 1992 году ученые Эделсон (Adelson) и Ван (Wang) опубликовали работу «Single lens stereo with a plenoptic camera», в которой в том числе была описана конструкция так называемой пленоптической цифровой фотокамеры. В этой работе были также описаны методы математической обработки получаемых пленоптической камерой снимков, позволяющие изменять параметры фокусировки уже отснятых изображений.
Для реализации такой возможности Эделсон и Ван предложили дополнить конструкцию традиционной цифровой фотокамеры массивом микролинз, расположенным между основным объективом и светочувствительным сенсором. Массив микролинз располагается в фокальной плоскости основного объектива. Каждая из микролинз формирует на небольшом участке сенсора субкадр, соответствующий небольшому участку фотографируемого полного кадра, проецируемого объективом камеры. Посредством математической обработки пикселов субкадра можно получить данные о расстоянии до соответствующего участка сфотографированной сцены. А это, в свою очередь, позволяет путем обработки исходного снимка по определенному алгоритму не только изменять положение точки фокусировки, но и настраивать ГРИП по собственному желанию.
Прототип портативной пленоптической камеры, созданный на базе фотоаппарата Contax 645 и цифрового задника Megavision FB4040
Принципы, изложенные в упомянутой работе Эделсона и Вана, были использованы исследователями Стэнфордского университета при создании прототипа портативной пленоптической камеры. Основой для данного прототипа послужили среднеформатная (60x60 мм) камера Contax 645 и цифровой задник Megavision FB4040, оснащенный светочувствительным сенсором Kodak KAF-16802CE. Разрешение этого сенсора составляет 4000x4000 пикселов, шаг пикселов — 9 мкм. Конструкцию задника ученые дополнили массивом из 87 616 микролинз (296 по горизонтали и 296 по вертикали), закрепленным при помощи специального держателя непосредственно перед светочувствительным сенсором. Ширина каждой из микролинз составляет 125 мкм, фокусное расстояние — 500 мкм, относительное отверстие — f/4. Для получения экспериментальных снимков на прототип устанавливали объективы с фиксированным фокусным расстоянием: 140 (f/2,8) и 80 мм (f/2,0).
Разрешение двумерных изображений, которые можно получить из RAW-файлов данного прототипа, эквивалентно количеству микролинз и составляет 296x296 пикселов. Размер субкадра, формируемого каждой микролинзой, — немногим менее 14Ѕ14 пикселов.
В ходе исследовательских работ было создано специальное программное обеспечение для преобразования RAW-файлов пленоптической камеры в обычные двумерные изображения. Данная программа позволяет изменять фокусировку и регулировать ГРИП получаемых на выходе изображений. Кроме того, используя подготовленные ранее теоретические разработки, исследователи реализовали на программном уровне эффективные средства для исправления аберраций объектива, компенсации виньетирования и значительного снижения уровня цифровых шумов на снимках, сделанных прототипом пленоптической камеры.
Изображения с различными настройками фокусировки, полученные путем обработки одного и того же снимка,
сделанного прототипом пленоптической камеры
Как утверждают создатели прототипа, в будущем использование пленоптической технологии цифровой фотосъемки позволит получить целый ряд важных преимуществ. Благодаря возможности эффективно подавлять артефакты аберраций объектива и виньетирования программными средствами, в таких аппаратах можно будет применять объективы более простой конструкции. А ведь известно, что объектив является весьма дорогостоящим и, пожалуй, наиболее сложным в плане изготовления узлом цифрового фотоаппарата.
Другое важное преимущество — возможность отказаться от использования сложного механизма автоматической фокусировки. Точку фокусировки и ГРИП снимка можно будет уже после съемки настроить столь же легко, как сейчас — изменить величину коррекции экспозиции и установку баланса белого при конвертации RAW-файла. Наряду с этим отсутствие механизма автоматической фокусировки позволит значительно уменьшить время между нажатием на спусковую кнопку и срабатыванием затвора.
Многие специалисты считают, что на нынешнем этапе дальнейший рост разрешающей способности сенсоров, применяемых в компактных цифровых фотоаппаратах, стал уже совершенно бессмысленным. Для подавляющего большинства задач, с которыми сталкиваются фотолюбители, вполне достаточно разрешения 4-5 мегапикелов. Кроме того, увеличение количества пикселов за счет уменьшения их физического размера приводит к росту уровня цифрового шума на получаемых снимках и в конечном счете к снижению качества фотографий. Конечно, для изготовления пленоптических камер потребуются сенсоры с очень высоким разрешением, однако, в силу особенностей аппаратов данного типа, уменьшение физического размера пикселов не влияет на уровень цифрового шума получаемых изображений.
Разработчики предполагают, что пленоптические камеры окажутся незаменимым инструментом для фотографов, занимающихся спортивной и репортажной съемкой. Возможности пленоптических камер будут весьма ценными и для ряда специфических решений, например для систем видеонаблюдения, приборов для микроскопической съемки и т.д.
На нашем CD-ROM помещены видеоиллюстрации к этой статье.
