С момента изобретения фотографии основной принцип работы фотоаппарата оставался неизменным — свет, проходя через отверстие в передней части камеры, формировал изображение на её задней стенке. Крошечное отверстие камеры обскуры с мизерной светосилой сменилось стеклянными объективами, химические фотопластины и плёнки уступили место электронным сенсорам, но фотоаппарат всё время оставался “трёхмерным” устройством, глубина которого как минимум не уступала длине и ширине.
Учёные из Университета Райса в Хьюстоне (штат Техас) создали прототип фотоаппарата принципиально нового типа — он лишь ненамного толще самого оптического сенсора. В отличие от условно “плоских” фотоаппаратов, построенных по принципу фасеточного глаза насекомых, в камере FlatCam вообще не применяются ни обычные, ни миниатюрные линзы. Показанные на видео ниже тестовые снимки имеют разрешение 512 на 512 пикселей. Фотографии сделаны внутри помещения без дополнительных источников света с выдержкой в 1/50 — 1/100 секунды, цифровая обработка каждого кадра на серийном ноутбуке занимает от 75 миллисекунд, что даёт возможность работать в реальном времени с видео с частотой кадров порядка 10-15 FPS.
Для прототипа учёные взяли производимую серийно ПЗС-матрицу Sony ICX285 CCD (pdf). Изображение формируется с помощью кодирующей апертуры — специально подобранного узора прозрачных и непрозрачных областей на поверхности кварцевой пластины, прикреплённой непосредственно к сенсору. Это напоминает камеру обскуру, но не с одним, а с множеством отверстий. Их общая площадь может составлять порядка 50% от площади сенсора, что на несколько порядков больше площади единственного отверстия пинхол-камеры. Поэтому светосила FlatCam сравнима со светосилой традиционных камер. При массовом производстве создание сенсора и кодирующей апертуры можно совместить в единой технологической операции — с конвейера завода-производителя матриц могут выходить уже готовые камеры.
Так выглядит узор кодирующей апертуры
Сам принцип кодирующей апертуры не нов — его уже давно применяют в рентгеновской и гамма-астрономии. Дело в том, что для этих диапазонов электромагнитных волн невозможно или очень трудно создать зеркала и линзы. В оптическом диапазоне до недавнего времени такие камеры безнадежно проигрывали обычным, так как во-первых, у них гораздо хуже соотношение сигнал-шум, а во-вторых, они требуют значительных вычислительных мощностей для обработки изображения.
Развитие малошумных чувствительных сенсоров с одной стороны и рост производительности процессоров с другой наконец-то дали возможность создать фотокамеру с кодирующей апертурой, которая имеет приемлемые характеристики. Через десяток-другой лет качество и скорость обработки изображения с таких камер может возрасти многократно, как это было с обычными цифровыми камерами. Вот, для сравнения, один из первых экспериментальных цветных цифровых снимков, сделанный Брайсом Байером в 1974 году:
Практически нулевая толщина и перспектива очень дешевого массового производства могут радикально изменить наши представления о возможностях видеокамер. Например, система наблюдения из многих сотен малозаметных камер, от которых невозможно будет спрятаться в мертвых зонах, и отключить которые можно будет разве что мощным электромагнитным импульсом. Или сверхлёгкие и компактные системы компьютерного зрения для миниатюрных дронов и медицинских зондов. Или гибкая плёнка с сетью оптических сенсоров, которой можно будет придать любую форму.
Автор: ilya42
