O cameră plenoptică (din lat. plenus , plin + alt grecesc ὀπτικός , vizual [1] ), de asemenea o cameră cu câmp luminos - o cameră digitală sau o cameră video digitală , care nu fixează distribuția luminii în planul imaginii reale a lentila , dar câmpul vectorial al luminii creat de ea este radiat ( câmp de lumină ). Pe baza modelului câmpului luminos, pot fi recreate cele mai complete informații despre imagine, potrivite pentru crearea unei imagini stereo , fotografii cu adâncime de câmp și focalizare reglabile , precum și pentru rezolvarea diferitelor probleme de grafică pe computer .
Pentru prima dată, înregistrarea unui câmp luminos folosind un raster cu microlens a fost propusă în 1908 de Gabriel Lippmann [2] . Fotografia integrală în acest fel înregistrează lumina reflectată direct de la obiectele fotografiate, oferind o imagine tridimensională cu vizualizare multiplă . Din cauza dificultăților de obținere a unei imagini ortoscopice și a apariției holografiei cu capacități similare, tehnologia nu a primit aplicare practică [3] .
În 1992, Edelson și Wang au plasat un raster cu microlens în planul focal al unei lentile convenționale , înregistrând câmpul luminos în spațiul său de imagine . O cameră cu un astfel de dispozitiv a fost numită „plenoptic”, realizând intenția autorilor de a crea perechi stereo cu un singur obiectiv și de a rezolva problema discrepanței paralactice între marginile imaginii [4] . Tehnologia a devenit posibilă datorită apariției fotografiei digitale , care convertește imaginea din spatele rasterului microlensului direct în date pentru calcularea parametrilor câmpului luminos [5] .
Matricea CCD este situată în spatele rasterului și fiecare microobiectiv construiește pe suprafața sa o imagine elementară a pupilei de ieșire a lentilei. Datorită diferenței de unghiuri, imaginile elementare din diferite părți ale cadrului diferă unele de altele, purtând informații despre volumul obiectelor fotografiate și despre direcția fasciculelor de lumină. La descifrarea setului de imagini rezultat, se creează un model vectorial virtual al câmpului luminos care descrie direcția și intensitatea fasciculelor de lumină în spațiul imaginii lentilei [6] . Ca rezultat, pe baza acestui model, modelul de distribuție a iluminării în oricare dintre planurile focale conjugate poate fi recreat [7] .
Astfel, pe lângă sarcinile stabilite direct de dezvoltatori, camera plenoptică s-a dovedit a fi potrivită într-o calitate complet neașteptată, permițând focalizarea precisă pe imagini gata făcute. Pentru a face acest lucru, la decodare, este suficient să setați poziția planului focal conjugat, în care este necesar să se calculeze distribuția luminii [8] .
Mai mult, adăugarea mai multor interpretări ale aceleiași imagini, „focalizate” la distanțe diferite, vă permite să obțineți imagini cu o adâncime de câmp „infinită” la o diafragmă complet deschisă [5] . Prima „refocalizare” a unei fotografii finite a fost efectuată în 2004 de o echipă de la Universitatea Stanford . Pentru aceasta, a fost folosită o cameră de 16 megapixeli cu o serie de 90.000 de microlentile. Imaginile elementare ale fiecărui microlentil au fost înregistrate cu o rezoluție de aproximativ 177 de pixeli . Rezoluția imaginii finale corespundea numărului de microlentile și se ridica la 90 kilopixeli [7] .
Principalul dezavantaj al unui astfel de sistem este rezoluția scăzută a imaginii finale, care depinde nu de caracteristicile matricei, ci de numărul de microlentile din raster [9] . Datorită acestor caracteristici, puterea de rezoluție a camerelor cu câmp luminos este descrisă nu în megapixeli , ci în „megabeams” [10] . Un design mai ieftin implică utilizarea unui raster umbră format din găuri în loc de o serie de microlentile. Fiecare dintre ele funcționează ca o cameră obscura , creând o imagine elementară a pupilei de ieșire din propriul unghi. Masca raster elimină artefactele datorate aberațiilor raster ale lentilelor , dar reduce luminozitatea întregului sistem.
În fotografia practică modernă, utilizarea unei camere cu câmp luminos este nepractică, deoarece mostrele existente sunt semnificativ inferioare camerelor digitale convenționale în ceea ce privește rezoluția și funcționalitatea. Deci, pentru a obține o imagine finală cu o rezoluție de doar 1 megapixel , este necesară o matrice foto care să conțină cel puțin 10 megapixeli [8] . În același timp, implementarea unui vizor electronic end -to-end este asociată cu mari dificultăți din cauza necesității decriptării în timp real a matricei de date rezultate. Datorită particularităților tehnologiei, fotografierea se efectuează întotdeauna la deschiderea relativă maximă a obiectivului, excluzând ajustarea expunerii folosind diafragma . Camerele digitale clasice existente sunt echipate cu focalizare automată eficientă , care oferă imagini clare la orice viteză de fotografiere și o calitate superioară a imaginii.
În același timp, camerele plenoptice sunt excelente pentru aplicații precum urmărirea obiectelor în mișcare [11] . Înregistrările de la camerele de securitate bazate pe această tehnologie, în cazul oricăror incidente, pot fi folosite pentru a crea modele 3D informative ale suspecților [12] [13] . Îmbunătățirea ulterioară a tehnologiei o poate face potrivită pentru cinematografia digitală 3D , deoarece elimină nepotrivirea de paralaxă a marginilor cadrului și face posibilă alegerea planului de focalizare pe imaginea finită, simplificând munca extractorului de focalizare .
Laboratorul de grafică pe computer de la Universitatea Stanford a dezvoltat un microscop digital care funcționează pe un principiu similar cu un raster cu lentile. În microfotografie , capacitatea de a regla adâncimea câmpului vă permite să creați imagini clare fără a reduce diafragma . Tehnologia este deja folosită în microscoapele Nikon din seria Eclipse [5] .
În 2005, studenții de la Universitatea Stanford au creat o cameră bazată pe camera SLR Contax 645 care funcționează conform acestor principii. Un atașament plenoptic a fost instalat în fața matricei digitale din spate , constând din multe microlentile [14] . Cercetătorul de fotografie în câmp luminos Ren Ng a scris o disertație bazată pe această lucrare și, în 2006, a fondat proiectul Lytro [8] (numit inițial Refocus Imaging ),
până la sfârșitul anului 2011, pentru a crea o cameră competitivă [de câmp ușor], care să fie accesibilă consumatorului și să încapă într-un buzunar.
În 2011, cu sprijinul lui Steve Jobs , compania a anunțat acceptarea comenzilor pentru camera pe care a dezvoltat-o, care a devenit disponibilă spre vânzare în octombrie a acelui an. Cu o rezoluție de 11 megaraze, camera a oferit o rezoluție fizică de 1080×1080 pixeli [14] .
Laboratorul de inginerie electrică de la Mitsubishi a dezvoltat o cameră cu câmp luminos „MERL”, bazată pe principiul unei heterodine optice și a unei măști raster situate în fața fotomatricei. Orice spate digital de format mediu poate fi transformat într-un spate plenoptic prin simpla plasare a unei astfel de mască în fața senzorului standard [15] . În același timp, datorită diferențelor fundamentale dintre mască și rasterul lentilelor, este posibil să se evite reducerea rezoluției.
Adobe Systems a dezvoltat un design alternativ de cameră care funcționează pe diferite principii. Dispozitivul filmează pe o matrice de 100 de megapixeli simultan prin 19 lentile focalizate la distanțe diferite. Ca urmare, pe 19 zone ale senzorului de 5,2 megapixeli fiecare, se obțin imagini separate ale subiectului cu focalizare diferită. Prelucrarea ulterioară a matricei de date vă permite să selectați o imagine cu focalizarea dorită sau să combinați altele diferite pentru a extinde adâncimea câmpului [16] . În plus, sistemul vă permite să creați fotografii tridimensionale care afișează absolut clar obiecte la orice distanță, combinând secțiuni ascuțite ale diferitelor „straturi” ale imaginii. Nokia investește în dezvoltarea unei camere plenoptice miniaturale cu o matrice de lentile cu 16 celule [ 17] .
În aprilie 2016, a fost anunțată lansarea camerei digitale cu film Lytro Cinema cu o rezoluție a matricei fizice de 755 megapixeli [18] [19] . Dezvoltatorii susțin că noua cameră de 125.000 de dolari elimină nevoia de tehnologii de mască rătăcitoare și cheie cromatică , deoarece este posibil să se realizeze imagini strat cu strat la distanțe diferite de cameră [20] . În plus, datele video lpf capturate de cameră sunt potrivite pentru crearea atât de filme 2D „plate”, cât și de filme stereo 3D . Principalul avantaj al „Lytro Cinema” este posibilitatea de a abandona profesia de focus puller , ale cărui greșeli fatale sunt inevitabile cu orice calificare. Concentrarea asupra obiectelor de fotografiere importante pentru scenă poate fi efectuată pe materialul deja capturat cu o precizie ridicată și o viteză arbitrară de translație [21] [22] .