Plenoptička kamera s najvećom dubinom polja ikad

Istraživači NIST-a (National Institute of Standards and Technology), kreirali su i testirali "light field kameru, koja se još naziva i plenoptičkom kamerom, koja ima mogućnost najvećeg dubinskog fokusiranja do sada i može izoštriti sve objekte na udaljenostima između 3 cm i 1,7 km.

U fotografiji, dubina polja se odnosi na to na koliko se trodimenzionalnog prostora fotoaparat može fokusirati odjednom. Mala dubina polja, na primjer, održala bi subjekt oštrim, ali bi zamaglila veći dio prednjeg plana i pozadine. Sada su istraživači s Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju inspirirani drevnim člankonošcima trilobitima demonstrirali novu plenoptičku kameru s najdubljom dubinom polja ikad zabilježenom.

Trilobiti su se rojili oceanima prije otprilike pola milijarde godina i daleki su rođaci današnjih rakova potkovača. Njihovi su vizualni sustavi bili prilično složeni, uključujući složene oči, koje su sadržavale tisuće sićušnih neovisnih jedinica, svaku sa svojom rožnicom, lećom i fotoreceptorskim stanicama.

Osobito jedan trilobit, Dalmanitina socialis, privukao je pažnju istraživača NIST-a zbog svoje jedinstvene složene strukture oka. Ispitivanje fosilnih zapisa pokazuje da je ovaj mali organizam imao dvoslojne leće u cijelom svom vizualnom sustavu, za razliku od bilo čega drugog u današnjem kraljevstvu člankonožaca, te da su gornji slojevi ovih leća imali izbočinu u sredini koja je stvorila drugu točku fokusa. To je značilo da se Dalmanitina socialis mogla usredotočiti i na plijen ispred sebe i na grabežljivce koji bi se mogli približiti iz daljine.

Istraživački tim odlučio je vidjeti može li ovakvu ideju primijeniti na plenoptičku kameru. Tamo gdje obične kamere u osnovi uzimaju svjetlost i bilježe informacije o boji i osvjetljenju preko dvodimenzionalne mreže, plenoptičke kamere svjetlosnog polja mnogo su složenije, jer ne kodiraju samo boju i osvjetljenje, već i smjer svake zrake svjetlosti koja ulazi u senzor.

Kada se cijelo svjetlosno polje uhvati na ovaj način, na kraju dobijete dovoljno informacija da rekonstruirate scenu u smislu boje, dubine, prozirnosti, spekularnosti, refrakcije i okluzije, a možete podesiti stvari kao što su fokus, dubina polja, nagib i promjena perspektive nakon što je fotografija već snimljena.

Do sada je problem, prema timu NIST-a, bio u proširenju dubinske oštrine bez gubitka prostorne razlučivosti, gubitka informacija o boji, ili zatvaranja otvora blende, toliko da brzina zatvarača postaje problem. I tu su ove bifokalne trilobitne leće inspirirale napredak.

Tim je dizajnirao niz metaleća, ravnu površinu stakla prošaranu hrpom sićušnih, pravokutnih, nano-razmjernih stupića titanovog dioksida. Svaki od ovih stupova bio je precizno oblikovan i orijentiran da manipulira svjetlom na specifične načine.

Polarizacija je ovdje odigrala ključnu ulogu. Nanostupići savijaju svjetlost za različite količine ako je lijevo kružno polarizirano (LCP) ili desno kružno polarizirano (RCP). Različita količina savijanja dovodi do drugačije žarišne točke, tako da su istraživači već učinkovito imali dvije žarišne točke s kojima su mogli raditi. Problem je bio u tome što je jedan senzor mogao uhvatiti samo fokusiranu sliku s jedne od ovih žarišnih točaka.

Stoga su istraživači pozicionirali te nanostupiće kako bi bili sigurni da dio svjetlosti koja je ušla u svaki od njih mora proći dužu stranu pravokutnika, a dio kraći put. Opet, ovo je savijalo svjetlost za dvije različite količine i stvorilo dvije različite žarišne točke. Jedna je bila fokusirana izbliza poput makro objektiva, druga fokusirana daleko u daljinu poput telefoto leće, tako da su između ovoga i polarizacije istraživači imali četiri slike s kojima se treba nositi.

Istraživači su tada shvatili precizne geometrije metaleća koje su uzrokovale da se lijeva kružno polarizirana verzija telefoto fokusiranih svjetlosnih zraka fokusira na točno istu ravninu kao i desna kružno polarizirana verzija makroa, fokusiranim svjetlosnim snopovima, omogućujući da se oba istovremeno snime u oštrom fokusu pomoću jednog senzora svjetlosnog polja bez gubitka ikakve prostorne rezolucije.

Tim je dizajnirao i izradio niz metaleća 39 x 39, s bližom žarišnom točkom postavljenom na samo 3 cm i udaljenom točkom postavljenom na 1,7 km. Dizajnirao je i kodirao algoritam rekonstrukcije koristeći konvolucijske neuronske mreže na više razmjera kako bi ispravio sve brojne aberacije.

Štoviše, dok su njegove dvije žarišne točke udaljene više od 1,7 km, algoritam rekonstrukcije može oštro rekonstruirati bilo koju stavku koja se nalazi između njih, stvarajući konačnu sliku koja se može postaviti tako da ima najveću ikada prikazanu dubinu polja, u kojoj su objekti 3 cm od objektiva natprirodno jasni i oštri kao oni daleko na horizontu.

Doista, algoritam rekonstrukcije radi tako sjajan posao ispravljanja pogrešaka da istraživački tim kaže da plenoptičke kamere koje koriste ovu tehnologiju neće morati biti izrađene s iznimnom preciznošću. Odnosno, tim vjeruje da bi trebale biti relativno jednostavne za proizvodnju.

Tim vjeruje da bi ova tehnologija mogla biti korisna u potrošačkoj fotografiji, optičkoj mikroskopiji i strojnom vidu, među ostalim područjima, ali budući da je to prilično svježe istraživanje u ovom trenutku, ne bismo trebali očekivati da će uskoro stići u dućane.

Čitavo istraživanje objavljeno u časopisu nature communications možete pronaći na ovoj poveznici.