Et plenoptisk kamera (fra lat. plenus , fuld + andet græsk ὀπτικός , visuelt [1] ), også et lysfeltkamera - et digitalkamera eller digitalt videokamera , der ikke fikserer fordelingen af belysning i planet af det faktiske billede af linse , men det vektorfelt af lys, der skabes af den, stråler ( lysfelt ). Baseret på lysfeltmønsteret kan den mest komplette billedinformation genskabes, velegnet til at skabe et stereobillede , fotografier med justerbar dybdeskarphed og fokus samt til løsning af forskellige computergrafikproblemer .
For første gang blev registrering af et lysfelt ved hjælp af et mikrolinseraster foreslået i 1908 af Gabriel Lippmann [2] . Integreret fotografering registrerer på denne måde lyset, der reflekteres direkte fra de objekter, der fotograferes, hvilket giver et tredimensionelt multi -view billede. På grund af vanskelighederne med at opnå et ortoskopisk billede og fremkomsten af holografi med lignende kapaciteter, har teknologien ikke fået praktisk anvendelse [3] .
I 1992 placerede Edelson og Wang et mikrolinse-raster i brændplanet af en konventionel linse , og registrerede lysfeltet i dets billedrum . Et kamera med en sådan enhed blev kaldt "plenoptic", der realiserede forfatternes hensigt om at skabe stereopar med en enkelt linse og løse problemet med parallaktisk uoverensstemmelse mellem billedets kanter [4] . Teknologien blev mulig takket være fremkomsten af digital fotografering , som konverterer billedet bag mikrolinserastret direkte til data til beregning af lysfeltets parametre [5] .
CCD-matrixen er placeret bag rasteret, og hvert mikroobjekt bygger på sin overflade et elementært billede af linsens udgangspupil . På grund af forskellen i vinkler adskiller elementære billeder i forskellige dele af rammen sig fra hinanden og bærer information om volumen af de objekter, der skydes, og om retningen af lysstrålerne. Ved dechifrering af det resulterende sæt af billeder skabes en virtuel vektormodel af lysfeltet, der beskriver retningen og intensiteten af lysstråler i linsens billedrum [6] . Som et resultat, på basis af denne model, kan mønsteret af belysningsfordeling i et hvilket som helst af de konjugerede fokalplaner genskabes [7] .
Ud over de opgaver, som udviklerne har stillet direkte, viste det plenoptiske kamera sig således at være velegnet i en helt uventet kvalitet, hvilket muliggjorde præcis fokusering på færdige billeder. For at gøre dette, ved afkodning, er det nok at indstille positionen af det konjugerede brændplan, hvor det er nødvendigt at beregne belysningsfordelingen [8] .
Desuden giver tilføjelsen af flere fortolkninger af det samme billede, "fokuseret" på forskellige afstande, dig mulighed for at få billeder med en "uendelig" dybdeskarphed ved en helt åben blænde [5] . Den første "omfokusering" af et færdigt fotografi blev udført i 2004 af et team fra Stanford University . Til dette blev der brugt et 16 megapixel kamera med et array på 90.000 mikrolinser. Elementære billeder af hver mikrolinse blev optaget med en opløsning på omkring 177 pixels . Opløsningen af det endelige billede svarede til antallet af mikrolinser og beløb sig til 90 kilopixel [7] .
Den største ulempe ved et sådant system er den lave opløsning af det endelige billede, som ikke afhænger af matrixens karakteristika, men af antallet af mikrolinser i rasteret [9] . På grund af disse funktioner beskrives lysfeltkameraers opløsningsevne ikke i megapixel , men i "megastråler" [10] . Et billigere design involverer brugen af et skyggeraster bestående af huller i stedet for en række mikrolinser. Hver af dem fungerer som en camera obscura , der skaber et elementært billede af udgangspupillen fra sin egen vinkel. Rastermasken eliminerer artefakter på grund af linsens rasteraberrationer , men reducerer hele systemets lysstyrke.
I moderne praktisk fotografering er brugen af et lysfeltkamera upraktisk, da eksisterende prøver er væsentligt ringere end konventionelle digitale kameraer med hensyn til opløsning og funktionalitet. Så for at opnå et endeligt billede med en opløsning på kun 1 megapixel kræves en fotomatrix indeholdende mindst 10 megapixel [8] . Samtidig er implementeringen af en ende-til-ende elektronisk søger forbundet med store vanskeligheder på grund af behovet for at dekryptere det resulterende dataarray i realtid. På grund af teknologiens særlige kendetegn udføres optagelser altid ved objektivets maksimale relative blænde , undtagen eksponeringsjustering ved hjælp af blænden . Eksisterende klassiske digitalkameraer er udstyret med effektiv autofokus , som giver skarpe billeder ved enhver optagehastighed og højere billedkvalitet.
Samtidig er plenoptiske kameraer fremragende til applikationer såsom sporing af bevægelige objekter [11] . Optagelser fra sikkerhedskameraer baseret på denne teknologi, i tilfælde af hændelser, kan bruges til at skabe informative 3D-modeller af mistænkte [12] [13] . Yderligere forbedringer af teknologien kan gøre den velegnet til 3D digital biograf , da den eliminerer parallaksemismatch af rammens kanter og gør det muligt at vælge fokusplanet på det færdige billede, hvilket forenkler arbejdet med fokusudtrækkeren .
Computergrafiklaboratoriet på Stanford University har udviklet et digitalt mikroskop , der fungerer efter et lignende princip med et linseraster. I mikrofotografering giver muligheden for at justere dybdeskarpheden dig mulighed for at skabe skarpe billeder uden at reducere blænden . Teknologien bruges allerede i Nikons mikroskoper i Eclipse-serien [5] .
I 2005 skabte studerende ved Stanford University et kamera baseret på Contax 645 SLR- kameraet, der fungerer efter disse principper. En plenoptisk vedhæftning blev installeret foran den digitale bagmatrix , bestående af mange mikrolinser [14] . Lysfeltfotografiforsker Ren Ng skrev en afhandling baseret på dette arbejde og grundlagde i 2006 Lytro- projektet [8] (oprindeligt kaldet Refocus Imaging ),
inden udgangen af 2011, at skabe et konkurrencedygtigt [lysfelt]-kamera, der er overkommeligt for forbrugeren og passer i lommen.
I 2011 annoncerede virksomheden med støtte fra Steve Jobs , at de accepterede ordrer på det kamera, det havde udviklet, og som blev tilgængeligt til salg i oktober samme år. Med en opløsning på 11 megastråler gav kameraet en fysisk opløsning på 1080×1080 pixels [14] .
Mitsubishis elektrotekniske laboratorium har udviklet et lysfeltkamera "MERL", baseret på princippet om en optisk heterodyne og en rastermaske placeret foran fotomatrixen. Enhver digital bagside i mellemformat kan omdannes til en plenoptisk bagside ved blot at placere en sådan maske foran standardsensoren [15] . Samtidig er det på grund af de grundlæggende forskelle mellem masken og linserasteret muligt at undgå at reducere opløsningen.
Adobe Systems har udviklet et alternativt kameradesign, der fungerer efter forskellige principper. Enheden optager på en 100 megapixel matrix samtidigt gennem 19 objektiver, der er fokuseret på forskellige afstande. Som et resultat heraf opnås separate billeder af motivet med forskellig fokus på 19 områder af 5,2 megapixel sensoren. Yderligere behandling af dataarrayet giver dig mulighed for at vælge et billede med det ønskede fokus eller kombinere forskellige for at udvide dybdeskarpheden [16] . Desuden giver systemet dig mulighed for at skabe tredimensionelle fotografier , der absolut skarpt viser objekter på enhver afstand ved at kombinere skarpe udsnit af forskellige "lag" af billedet. Nokia investerer i udviklingen af et plenoptisk miniaturekamera med et 16-cellet linsearray [ 17] .
I april 2016 blev udgivelsen af Lytro Cinema digitalfilmkameraet med en fysisk matrixopløsning på 755 megapixels [18] [19] annonceret . Udviklerne hævder, at det nye kamera til $125.000 eliminerer behovet for vandrende maske og chroma key -teknologier , da det er muligt at lave lag-for-lag-billeder i forskellige afstande fra kameraet [20] . Derudover er lpf-videodataene optaget af kameraet velegnet til at skabe både "flade" 2D-film og 3D-stereofilm . Den største fordel ved "Lytro Cinema" er muligheden for at opgive erhvervet som en fokustrækker , hvis fatale fejl er uundgåelige med enhver kvalifikation. Fokusering på scenevigtige objekter til optagelse kan udføres på allerede optaget materiale med høj nøjagtighed og vilkårlig oversættelseshastighed [21] [22] .