Aware-2: sposoby budowy aparatów cyfrowych o rozdzielczości wielu Gigapikseli

Zespół pracowników Uniwersytetu Duke opracował technologię, która pozwala budować kamery cyfrowe o rozdzielczości 2 gigapikseli i większej (do 50 gigapikseli). Zamiast stosować płaską mozaikę matryc, która sprawia problemy nie tylko podczas konstruowania, ale i w eksploatacji, wykorzystali 226 niezależnych sensorów CMOS umieszczonych na powierzchni o kształcie półsfery.

Gigapikselowa rozdzielczość jest bardzo przydatna zarówno w zastosowaniach związanych z bezpieczeństwem i nadzorem, ale również w tradycyjnej fotografii, na przykład do tworzenia gigapanoram, a także w zastosowaniach naukowych.

Mozaika matryc, którą zastosowano w sondzie Kepler, poszukującej planet podobnych do Ziemi. W tym wypadku wygięcie powierzchni światłoczułej wynika z uwzględnienia krzywizny obrazu tworzonego przez zwierciadło teleskopu. Podobne, ale płaskie mozaiki stosowane są w teleskopach naziemnych.

Obecnie produkowane matryce cyfrowe osiągają rozdzielczości 80 Mpix (Leaf Credo) czy 112 Mpix (Spectral Instruments). Również Canon pokazał, że przekroczenie granicy 100 Mpix jest możliwe. To jednak nadal niewiele w porównaniu z rozdzielczością gigapikselową.

Można oczywiście użyć kilkunastu kamer Spectral Instruments. Tylko, że każda z tych kamer wymaga chłodzenia ciekłym azotem i ma wymiary dużego garnka. Poza tym odczytywanie obrazu z takiej kamery w tempie akceptowalnym przez systemy nadzoru jest nie do zrealizowania. Łączenie sensorów średniego formatu to także trudna w realizacji idea.

Zespół z Duke University postanowił zaleźć inny sposób na skonstruowanie kamery, która byłaby opłacalna w produkcji (choć nadal droga dla zwykłego śmiertelnika), w miarę niewielkich rozmiarów, tak aby zainstalować ją na przykład w dronach (kamera powstała na zlecenie DARPA), a nadto umożliwiała odczyt obrazu w szybkim tempie.

Miniaturyzacja to przede wszystkim wyzwanie zmniejszenia elektroniki, a także poradzenie sobie z dużym poborem prądu - w przypadku 2 Gpix kamery AWARE-2 jest to prawie 600 W.

Tak wygląda obudowa kamery AWARE-2. Rozmiary wynoszą 50 x 75 x 75 cm (wielkość ramy w której umieszczono układ elektroniczny i optykę). Przypomina to bardziej zasilacz dla gigantycznego komputera niż kamerę cyfrową.

Prototyp kamery AWARE-2 wykorzystuje specjalną konstrukcję, w której głównym elementem optycznym jest soczewka monocentryczna, a za rejestrację obrazu odpowiada 226 niewielkich kamer o rozdzielczości 14 Mpix. Kamery te, wraz z niezależnymi układami optycznymi, zostały rozmieszczone na powierzchni sfery.

Całkowita rozdzielczość kamery AWARE-2 wynosi 2 Gpix, prawie 100 razy więcej niż rozdzielczość sensora w. Aby wykonać pojedyncze zdjęcie o takie samej rozdzielczości, na przykład lustrzanką Canon EOS 5D Mark III, trzeba by wykonać ponad 90 fotografii. Takie gigapikselowe zdjęcia powstają, stosuje się do tego specjalne statywy do gigapanoram, ale wymagają czasu liczonego w godzinach. W przypadku AWARE-2 mamy taką fotografię po mniej więcej 21 sekundach.

Na dodatek AWARE-2 jest w stanie rejestrować obraz w tempie 10 klatek/s co pozwala stworzyć rozsądnej jakości strumień wideo HD (po sprzętowym zmniejszeniu rozdzielczości).

Zasada działania kamery AWARE-2 na przykładzie poprzedniego prototypu zbudowanego z 98 sensorów..

W przypadku kamery AWARE-2, rozdzielczość bliska jest optycznemu limitowi dyfrakcyjnemu zastosowanej soczewki. Pole widzenia wynosi około 120 x 70 stopni. Ta sama konstrukcja, z drobnymi korektami może być skalowana do rozdzielczości rzędu 50 Gpix. Zespół z Duke University chce jeszcze w tym roku zaprezentować model o rozdzielczości 5-10 Gpix.

Jakość obrazu z prototypowej kamery pozostawia jeszcze wiele do życzenia, ale udowodniono, że można skonstruować system, który efektywnie przetwarza strumień danych z kilkuset sensorów światłoczułych. Procedura łączenia i pozycjonowania względem siebie poszczególnych obrazów wykorzystuje wsparcie GPU. Pojedynczy obraz ma rozmiar około 2 GB (zapisywany jest jako wiele plików w formacie .pgm).

Więcej o kamerach o bardzo dużej rozdzielczości:

• Hitachi: przenośna kamera Super Hi-Vision o rozdzielczości 33 Mpix
• 120 megapikseli w lustrzance Canon
• MWC: Nokia 808 PureView: smartfon z aparatem 41 Mpix
• Mamiya Leaf Credo: matryca 80 megapikseli średniego formatu z USB 3.0
• Nikon D800: premiera lustrzanki - 36 Megapikseli i filmowe ambicje

Źródło: Duke University, WSJ