Aparat z sensorem o rozdzielczości 1 piksela i bez soczewki - to naprawdę działa

Pomysłowość człowieka nie zna granic. Tym razem naukowcy z Bell Labs postanowili skonstruować aparat cyfrowy, który nie dość, że ma tylko jednopikselowy sensor, który może rejestrować jedną z trzech podstawowych barw RGB, to na dodatek nie wykorzystuje tradycyjnego obiektywu. A mimo to tworzy ostre i szczegółowe zdjęcia, które wcale nie mają rozdzielczości jednego piksela.

Wynikowy obraz tworzony przez bezsoczewkowy i jednopikselowy aparat to wynik zastosowania techniki oszczędnego próbkowania (ang. compressive sensing). Zakłada ona, że informacje w poszczególnych pomiarach są w dużym stopniu powielane, a zatem możliwe jest uzyskanie pełnego obrazu w nawet w sytuacji, gdy dysponujemy niepełną liczbą informacji. Wystarczy je tylko odpowiednio dobrać. Odpowiedni algorytm opracowano w laboratoriach Bella.

Choć sam aparat nie wykorzystuje obiektywu, to przed sensorem umieszczono ekran LCD o rozdzielczości 302 x 217 pikseli. Każdy piksel pełni rolę otworu (apertury), przez którą pada światło. Każda apertura może być otwarta (przepuszcza światło) lub zamknięta (blokuje światło) na żądanie.

Panel LCD (po lewej) i czujnik fotovoltaiczny, który rejestruje światło w trzech barwach.

Dlaczego apertury muszą być losowo rozmieszczone? Ponieważ końcowa fotografia jest wynikiem wykonania dużej liczby zdjęć (maksymalnie 65534, tyle ile jest pikseli na LCD), przy których za każdym razem układ apertur na panelu LCD jest dobierany losowo. Rejestrowany kadr jest dzięki temu widziany wielokrotnie na różne sposoby, a natężenie światła rejestrowane przez sensor odmienne. Analiza korelacji pomiędzy poszczególnymi obrazami pozwoli otrzymać normalnie wyglądające zdjęcie.

Sposób rejestracji obrazu przypomina działanie najszybszej kamery na świecie. W tym przypadku rejestrowany obraz również musi być statyczny. Na szczęście szybkość tworzenia zdjęć jest na tyle duża, że jednopikselowa bezobiektywowa kamera może sprawdzić się nawet systemach nadzoru technicznego.

Obraz książek odtworzony na podstawie 16384 pomiarów (25% maksymalnej liczby).

Interesujące jest to, że obraz jest polepszany w miarę rejestracji nowych danych. Czasem jednak nie jest to potrzebne i można wykorzystać znacznie mniejszą ilość informacji dla satysfakcjonujących efektów. Przykładem jest powyższa ilustracja.

Opisana przez nas kamera daje obraz, który jest zawsze ostry i pozbawiony wad optycznych, które wprowadzają tradycyjne soczewki. Taki aparat może pracować w świetle widzialnym, a także szerokim zakresie podczerwieni. Nie należy się sugerować rozmiarami eksperymentalnej konstrukcji. Zwykle prototyp, jako dowód poprawności koncepcji, buduje się z tego, co akurat mamy pod ręką.

Niedawno wspominaliśmy o grafenowym sensorze, teraz mamy ciekawą koncepcję aparatu cyfrowego. Nawet jeśli te pomysły szybko nie ujrzą światła dziennego, to z pewnością mogą stać się inspiracją dla innych.

Źródło: Bell Labs, Inf. Własna