В современном мире выбор смартфона во многом обусловлен камерой. Чем больше камер, тем разнообразнее снимки больше возможностей для творчества — зум, портреты, широкоугольные фото и так далее. Но, что будет, если мы скажем, что не обязательно иметь пять или десять камер? Достаточно всего одной, чтобы сделать крутую фотографию — и такая технология уже есть!
Мы перевели статью Тима Вентуры и готовы поделиться ей с вами!
Прошло уже 3 года с того момента, как Apple представила телефон с двойной камерой iPhone 7 Plus, что позволило пользователям делать зум без лишнего цифрового шума и без массивной механической системы увеличения. Но в этом случае Apple поступила не очень элегантно: она просто клонировала уже существующую камеру и использовала разные линзы. Это решило проблему, но у всего есть своя цена.
Оригинальный модуль камеры iPhone 7 Plus стоил около 26 долларов или около 9,5% от общей стоимости производства телефона. Но стоимость выросла до 32,50 долларов за iPhone 8 Plus, а за тройной объектив на iPhone 11 Pro Max компании пришлось заплатить до 73,50 долларов.
В дополнение к стоимости компонентов, большие массивы камер занимают всё больше внутреннего пространства, увеличивают вес телефона, усложняют производство и делают будущие обновления системы камер более дорогостоящими. Если Apple захочет добавить четвёртую ToF-камеру в iPhone 12 Max, то этот вопрос усугубится ещё больше.
То, что начиналось как обходной путь, может стать реальной проблемой, но этого можно избежать. Достижения в оптических технологиях стимулируют исследования в области безлинзовых камер, которые могут полностью устранить необходимость в нескольких камерах и открыть дверь к массовым улучшениям в фотографии смартфонов — особенно разрешения.
Самым большим препятствием для высокого разрешения является объектив
Все три задние камеры на iPhone 11 Pro создают 12-мегапиксельные изображения — несмотря на то, что другие производители камер уже экспериментируют с разрешением более 40 мегапикселей (прим.ред.: уже даже более 100 Мп). Apple намеренно сохранила разрешение низким, чтобы избежать проблем с дифракцией и так называемым диском Эйри, создаваемым линзами и диафрагмой небольших камер на смартфонах.
Как пишет Android Authority:
«В идеале нужно, чтобы размер диска Эйри был достаточно мал, чтобы он не перекрывал ни одного пикселя. На самых последних флагманах размер пикселя не намного меньше диаметра диска Эйри, присущих этим системам. Но поскольку они используют такие небольшие сенсоры, им приходится ограничить разрешение, чтобы избежать перекрытия этого диска».
Другими словами, смартфоны не могут переписать законы физики: чем меньше объектив и выше плотность пикселей, тем хуже будет качество изображения. Это также означает, что для того, чтобы камеры смартфонов продолжали развиваться, необходимы фундаментальные изменения в их дизайне.
Представляем камеру без объектива
Идея камеры без объектива восходит к середине 1800-х годов с изобретением пинхол-камеры, но для современной визуализации требуется нечто более сложное, поэтому новаторы в University of Utah, Bell Labs, Caltech, Hitachi и Rice University работают над технологиями камер без объективов. В этих решениях используются инновационные технологии фокусировки в сочетании с программным обеспечением для обработки изображений с помощью компьютера и создания изображений без объектива.
University of Utah
Портал PetaPixel описывает исследование UT, в ходе которого объектив камеры отбрасывается в пользу захвата света через стандартное стекло, а затем используется система искусственного интеллекта для создания фотографии из захваченного света.
«Если обычный датчик цифровой камеры направлен на объект без фокусирующего света объектива, то фотография выглядит как неразборчивая смесь цветов. Но этот блок пиксельных данных, на самом деле, все ещё имеет достаточно информации, чтобы компьютеры могли его понять — вам просто нужно научить систему искусственного интеллекта «декодировать» этот блок, чтобы восстановить то, как выглядела реальная сцена».
Bell Labs
Еще в 2013 году Bell Labs изобрела камеру без объектива, которую MIT Tech Review описал как: «ЖК-панель, действующая и как массив отверстий, каждое из которых пропускает свет, и как один датчик, способный обнаруживать свет трёх цветов». Это простое, дешёвое устройство, созданное из готовых деталей, имеет много преимуществ по сравнению с традиционными камерами:
«Эта революционная камера без объектива имеет ряд преимуществ перед обычной камерой. Во-первых, это небольшое количество данных, необходимых для создания изображений. Без линзы эти изображения не страдают от аберраций и проблем фокусировки, связанных с линзами. Сцена полностью сфокусирована, а разрешение изображения зависит от размера, количества отверстий и точечной природы датчика света».
Caltech
Совсем недавно инженеры Caltech также создали камеру без объектива, используя оптическую фазированную решетку (OPA), которая функционирует путём изменения контролируемой временной задержки для отдельных «пикселей» в массиве датчиков. Али Хаджирими из Caltech сказал:
«Мы создали один тонкий слой интегрированной кремниевой фотоники, которая имитирует линзу и сенсор цифровой камеры, уменьшая толщину и стоимость цифровых камер. Этот слой может имитировать обычную линзу, но может мгновенно переключаться с объектива «рыбий глаз» на телеобъектив — достаточно перейти в другой режим и матрица получит больше света».
Hitachi
Этот известный производитель разработал систему, использующую муаровые полосы и математические преобразования Фурье для захвата изображений и видео без объектива, способную фокусировать изображение уже после съемки, согласно PetaPixel:
«Секрет в том, что «плёнка с рисунком в виде концентрических окружностей» лежит прямо на датчике изображения. Шаблон отбрасывает тень на датчик во время захвата изображения, который затем сравнивается со вторым аналогичным шаблоном, который накладывается на изображение во время обработки».
Rice University
Ещё одним проектом, описанным PetaPixel, была разработка пинхол-камеры от Rice University, называемой FlatCam — камеры без объектива, тоньше монеты:
«По сути, FlatCam — это сенсорная микросхема, которая отказывается от датчика в пользу маски, по аналогии с пинхол-камерами. Но вместо одного отверстия маска имеет сетчатый рисунок с несколькими отверстиями, каждое из которых позволяет разному свету попадать на поверхность датчика. Как и в случае с пленоптическими камерами, использующими теорию светового поля (например, Lytro), фотографии, сделанные на FlatCam, могут быть перефокусированы после того, как сделаны снимки».
Что в итоге
Технологии камер без объективов всё ещё находятся в зачаточном состоянии, но, поскольку они продолжают развиваться, то возможно когда-нибудь смогут полностью заменить многокамерные массивы, используемые в iPhone и других смартфонах, представленных на рынке — и это станет огромным скачком в мире мобильной фотографии.
Объектив очень сильно ограничивает возможности камер из-за своего размера и формы. Поэтому, если мы сможем полностью от него избавиться, то сможем использовать более крупный CMOS-датчик, способный захватывать больше света, способный создавать большие, более детальные изображения без потерь, а также цифровой зум без дублирования компонентов.
Камеры без объективов открывают двери для гораздо более высоких разрешений и совершенно новых способов фокусировки, а также для более экзотических технологий, таких как захват инфракрасных и ультрафиолетовых волн, и даже для приложений, способных делать трёхмерные фотографии с одного сенсора камеры.
Мнение Big Geek
Технология камер без объективов, помимо, действительно крутых улучшений в качестве, разрешении и возможности делать абсолютно другие фотографии, сможет вернуть смартфонам лаконичный вид, что очень радует.
Производителям больше не придётся искать компромисс, как лучше и эстетичнее встроить камеру в дизайн.
Очень хотелось бы, чтобы эту технологию поскорее допилили и выпустили в свет, ведь это будет настоящий прорыв!