Эта новая возможность была успешно продемонстрирована в лабораторном эксперименте, подтверждающем концепцию, с использованием небольшого деформируемого зеркала — отражающей поверхности, которая может направлять и фокусировать свет. Исследование демонстрирует, как эквивалентные технологии в современных цифровых камерах, модули стабилизации изображения и фокусировки, могут быть использованы для достижения тех же результатов без дополнительного оборудования.Цель эксперимента состояла в том, чтобы извлечь информацию о глубине резкости из «одного снимка» изображения, а не из традиционных методов трехмерной визуализации, требующих нескольких изображений, без каких-либо компромиссов в качестве изображения. При интеграции в коммерческие камеры и другие оптические технологии этот метод визуализации может улучшить основные функции, такие как стабилизация изображения, и увеличить скорость автофокусировки, что повысит качество фотографий.
«Реальные сцены имеют трехмерное изображение, и они обычно захватываются путем получения нескольких изображений, сфокусированных на разных расстояниях», — сказал Патрик Лулл, Duke Imaging and Spectroscopy Program (DISP), Университет Дьюка. «В течение последних десятилетий было предложено множество подходов с однократным снимком для повышения скорости и качества захвата 3D-изображений. Однако каждый подход страдает от постоянного ухудшения качества 2D-изображения и / или сложности оборудования».Исследовательская группа во главе с Дэвидом Брэди, профессором Duke, смогла преодолеть эти препятствия, разработав адаптивную систему, которая может точно извлекать 3D-данные, сохраняя при этом возможность захвата 2D-изображения с полным разрешением без значительных изменений системы, таких как как выключить линзу.
Брэди и его команда представляют свои открытия в Optica, журнале Оптического общества.Новый путь в третье измерениеЛюди могут видеть в трех измерениях благодаря процессу, известному как параллакс, при котором информация, получаемая каждым глазом, немного смещена относительно другого.
Мозг способен интерпретировать и обрабатывать эти слегка расходящиеся сигналы, распознавая, как кажущееся смещение, видимое каждым глазом, связано с разными расстояниями. Это позволяет людям ощущать глубину.Традиционное трехмерное изображение основывается практически на том же принципе, по которому изображения и сцены записываются двумя слегка смещенными объективами.
При проецировании или обработке восстанавливается исходный трехмерный вид. Однако для этого процесса записи требуется вдвое больше данных, чем для 2D-изображения, что делает 3D-фотографии и видео более громоздкими, дорогими и интенсивными.«Мы хотим достичь тех же результатов с оборудованием, которое люди уже имеют в своих портативных камерах, без каких-либо серьезных модификаций оборудования», — отметил Ллулл.Стабилизация для глубинного восстановления информации
Современные цифровые камеры, особенно с возможностью видео, часто оснащены модулями, устраняющими дрожание во время записи. Они делают это, измеряя инерцию или движение камеры, и компенсируют это быстрым перемещением объектива — выполняя несколько регулировок в секунду — в модуле.
Это же оборудование может также изменять процесс захвата изображения, записывая дополнительную информацию о сцене. При наличии надлежащего программного обеспечения и обработки эта дополнительная информация может открыть скрытое в противном случае третье измерение.
Первым шагом, по мнению исследователей, является включение камеры для записи трехмерной информации. Это достигается за счет программирования камеры на выполнение трех функций одновременно: перемещение по диапазону фокусировки с помощью датчика, сбор света в течение заданного периода времени в процессе, называемом интеграцией, и активация модуля стабилизации.При включении оптической стабилизации объектив качается, чтобы переместить изображение относительно фиксированной точки.
Это, в сочетании с фокальной разверткой сенсора, объединяет эту информацию в единое измерение таким образом, чтобы сохранить детали изображения, предоставляя каждому положению фокуса различный оптический отклик. Изображения, которые в противном случае были бы получены при различных настройках фокуса, напрямую кодируются в это измерение в зависимости от того, где они находятся в глубине резкости.В работе исследователи использовали сравнительно длительное время выдержки, чтобы компенсировать настройку оборудования. Чтобы имитировать работу камеры, был необходим светоделитель для управления деформируемой линзой: этот дополнительный шаг приносит в жертву около 75 процентов получаемого света. «При преобразовании в полностью интегрированную камеру без светоделителя эта потеря света не будет проблемой, и можно будет значительно сократить время экспозиции», — отметил Лулл.
Затем исследователи обрабатывают одиночную экспозицию, сделанную с помощью этой камеры, и получают продукт с большим объемом данных, известный как куб данных, который, по сути, представляет собой компьютерный файл, который включает как полностью сфокусированное 2D-изображение, так и дополнительный элемент, известный как карта глубины. Эти данные карты глубины, по сути, описывают положение фокуса каждого пикселя изображения. Поскольку эта информация уже закодирована в единичное измерение, можно построить карту глубины для всей сцены.Последним шагом является обработка изображения и карты глубины с помощью коммерческого движка 3D-графики, аналогичного тем, которые обрабатывают 3D-сцены в видеоиграх и компьютерные изображения, используемые в голливудских фильмах.
Полученное изображение можно использовать для определения оптимальной настройки фокуса для последующих 2D-снимков с полным разрешением, как это делает алгоритм автофокусировки, но только для одного изображения. Кроме того, синтетическая перефокусировка может использоваться в результирующих трехмерных изображениях для отображения сцены, как она просматривается человеком на разной глубине.Хотя они выполняются только в лабораторных условиях с использованием суррогатных технологий, исследователи полагают, что применяемые ими методы могут быть применены к основным потребительским товарам. Результатом стал бы более эффективный процесс автофокусировки, а также добавленное третье измерение к традиционной фотографии.
«Мы нашли новый способ извлечения 3D-информации из 2D-процесса. Преимущества этого заключаются в двойной функциональности томографического изображения и 2D-захвата с полным разрешением с небольшими изменениями в существующих системах», — заключил Ллулл.