Foto Nākotne

Kādā 1826. gada vasaras dienā savā lauku īpašumā, kas atrodas aptuveni 340 kilometrus uz dienvidaustrumiem no Parīzes, Džozefs Nikefors Nīps uzstādīja savu camera obscura un projicēja sava pagalma attēlu uz alvas plāksnes, kas pārklāta ar gaismjutīgu materiālu. Astoņas stundas objektīvs fokusēja saules gaismu, ķīmiski fiksējot vietas, kur gaisma skāra plāksni, lai tvertu skatu uz baložu māju, bumbieru koku, šķūņa jumtu un viņa mājas paplašināto spārnu. Par šo sasniegumu Niépce ir atzīts par pasaulē pirmās fotogrāfijas radīšanu.

Alvas un citas cietās plāksnes 1889. gadā padevās elastīgiem plēves ruļļiem; 30. gadu vidū sekoja krāsaina filma. Deviņdesmito gadu vidū tika prezentētas pirmās masu tirgus krāsu digitālās kameras, kas tver attēlus ar gaismas sensoriem mikroshēmā. Šie sasniegumi ir radījuši lētākas, mazākas, pārnēsājamākas kameras, kas var radīt spilgtus attēlus. Bet vissvarīgākajā līmenī kameras nav būtiski mainītas, saka Ramesh Raskar, asociētais profesors un kameras kultūras grupas vadītājs MIT Media Lab. Viņš saka, ka pati fiziskā ierīce pēdējo 100 gadu laikā nav mainījusies. Jums ir līdzīga lēca, līdzīga kaste, kas atdarina cilvēka aci. Izņemot to, ka tā ir lētāka, ātrāka un ērtāka, fotografēšana nav tik daudz mainījusies.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2009. gada maija numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Tomēr Raskars cer, ka viņš un citi MIT un visā pasaulē var izraisīt revolūciju fotogrāfijā. Pētnieki jomā, ko sauc par skaitļošanas fotogrāfiju, pārdomā digitālās kameras, lai labāk izmantotu tajās iebūvētos datorus. Viņi paredz dienu, kad ikviens var izmantot kameru ar mazu, lētu objektīvu, lai uzņemtu tādus satriecošus attēlus, kādus mūsdienās var sasniegt tikai profesionāli fotogrāfi, izmantojot augstas klases aprīkojumu un programmatūru, piemēram, Adobe Photoshop. Patiesībā viņi domā, ka šādas kameras varētu pārsniegt mūsdienu vismodernākās tehnoloģijas, pārvarot to, kas šķita kā fundamentālas robežas.

Datorfotografēšana ietver jaunus optisko komponentu un kameras aparatūras dizainus, kā arī jaunus attēlu analīzes algoritmus. Mērķis, saka Raskars, ir izveidot kameras, kas var ierakstīt to, ko redz acs, nevis tikai to, ko spēj tvert objektīvs un sensors. Ja atrodaties amerikāņu kalniņos, jūs nekad nevarēsit iegūt labu attēlu, viņš saka. Ja esat pie lieliskām vakariņām, jūs nekad nevarat uzņemt attēlus, kas liek ēdienam izskatīties ēstgribu. Taču ar skaitļošanas metodēm kameras var novērst izplūšanu no momentuzņēmuma, kas uzņemts nelīdzenā izbraucienā atrakciju parkā. Šādas kameras varētu arī tvert smalkās ēdiena formas un ēnas un cilvēku smaidu vakariņu sveču gaismā vājā apgaismojumā — bez ilgas ekspozīcijas laika, kas vienmēr rada izplūdušus attēlus, vai arī izmantojot traucējošu zibspuldzi.

Sānjosla: Ceļojums no laboratorijas uz tirgu

Turklāt skaitļošanas fotogrāfija varētu atvieglot fotogrāfiem amatieriem izveidot attēlus, kuriem mūsdienās ir nepieciešamas specializētas un laikietilpīgas pēcapstrādes metodes. Pat mobilo tālruņu kameras, kurām ir lēti fiksētie objektīvi, varētu dot amatieriem tādu pašu kontroli pār fokusu, kādu profesionāļi nodrošina ar augstas klases viena objektīva spoguļkameru (SLR).

Visas kameras darbojas vienādi: gaisma ieplūst caur fokusēšanas objektīvu un iziet cauri apertūrai. Tradicionālajā kamerā gaisma saskaras ar fotoreaktīvām ķimikālijām uz plēves vai plāksnēm. Digitālajā kamerā gaisma iziet cauri krāsu atdalošajiem filtriem un nonāk uz fotosensoru masīva, no kuriem katrs attēlo pikseļus. Kad gaisma saskaras ar fotosensoru, tā rada elektrisko strāvu, kuras stiprums atspoguļo gaismas intensitāti. Strāva tiek pārveidota par ciparu 1s un 0 s, ko kameras procesors (datora mikroshēma) pēc tam pārvērš attēlā, kas tiek parādīts kameras priekšskatījuma ekrānā un tiek saglabāts zibatmiņas kartē vai iekšējā cietajā diskā.

Kad attēli tiek uzņemti kā digitāli informācijas biti, tos var uzlabot ar programmatūru, paverot pilnīgi jaunu iespēju pasauli. Apmēram pēdējos 15 gadus, saka Raskars, pētnieki ir strādājuši, lai pilnībā izmantotu šīs iespējas, jo īpaši izmantojot jaunus attēlu apstrādes algoritmus, kas aizņemas no tradicionāli atšķirīgajiem datorredzes un datorgrafikas laukiem. Datorredze ļauj kamerai analizēt objektus attēlā, izvēloties tādus elementus kā galda mala. Un datorgrafikas metodes piedāvā daudzus veidus, kā manipulēt ar digitālo attēlu. Ja šīs pieejas ir apvienotas kamerā, kuras optiskie komponenti ir izstrādāti, ņemot vērā šādus algoritmus, jūs varat paveikt dažas pārsteidzošas lietas. Piemēram, jūs faktiski varat pielāgot gaismas avotu pēc fotoattēla uzņemšanas, lai objekts, kas apgaismots no viena leņķa, šķiet, ir apgaismots no cita. Un jūs pat varat pielāgot fotoattēla fokusu pēc tam.

Cīņa ar kustību izplūšanu

Viens no pārliecinošākajiem piemēriem tam, ko var sasniegt ar skaitļošanas fotogrāfiju, ir kustību nemainīga fotogrāfija, gudrs veids, kā novērst kustīgu objektu attēlu izplūšanu.

Blur ir process, kas šifrē informāciju, saka Fredo Durands, MIT elektrotehnikas un datorzinātņu asociētais profesors, kurš ir palīdzējis izstrādāt šo ideju. Viņš saka, ka digitālā attēla pikseļi darbojas tāpat kā kvadrāti uz šaha galda. Ātri kustīgs melnbaltais šaha galdiņa raksts izplūst pelēkā krāsā, kas ir melnbalto kvadrātu vidējais rādītājs. Bet, ja jūs precīzi zināt, kā šaha galdiņš tika pārvietots – teiksim, pagriežot to ap punktu centrā vai kratot to uz augšu un uz leju, tad varat uzrakstīt matemātisko funkciju, lai aprakstītu uz kustību balstīto izplūšanu. Kad zināt šo funkciju, varat to apgriezt, lai noņemtu izplūšanu.

Durands un viņa kolēģi, tostarp Anats Levins, pēcdoktorants un Bils Frīmens, MIT elektrotehnikas un datorzinātņu profesors, ir izstrādājuši kameru, kas var izmantot šo principu, lai noņemtu izplūšanu no attēla, kurā attēlots objekts, kas pārvietojas. taisna līnija, piemēram, automašīna, kas traucas pa ceļu. Galvenais ir darīt kaut ko pretintuitīvu, Durand saka: Mēs radām vairāk izplūdušu, pārvietojot kameru ekspozīcijas laikā.

Pētnieku testa kamerai ir optiskā sistēma, kas pārvietojas uz priekšu un atpakaļ pa taisnu līniju, izplūdujot visu attēlu. Sakarā ar to, kā sensors pārvietojas uz priekšu un atpakaļ, ekspozīcijas laikā būs vismaz viens brīdis, kad kamera perfekti izseko fotografējamajam objektam, ļaujot kamerai uzņemt precīzu informāciju par objekta vizuālo struktūru neatkarīgi no tā ātruma. Šī informācija ļauj pētniekiem uzrakstīt vienādojumu, kas definē uz kustību balstītu izplūšanu, un pēc tam novērst ātrumu no šī vienādojuma. Apgriežot vienādojumu, viņi var rekonstruēt attēlu bez izplūšanas (sk. Kustības izplūšanas novēršana, M14. lpp.) .

Šajā kamerā, atšķirībā no tipiskā modeļa, optikas uzdevums nav tieši veidot galīgo attēlu, saka Durands. Tā vietā savā ziņā tā ir gaismas staru jaukšana, lai sensora ierakstītais sniegtu mums piekļuvi plašākai informācijai.

Precīza fokusa regulēšana

Viena no mobilo tālruņu un kompaktkameru problēmām ir tā, ka tām trūkst spoguļkameras fokusēšanas kontroles. Izmantojot spoguļkameru, objektīvu var pārvietot, lai mainītu fokusā esošo. Pielāgojot diafragmas atvērumu, fotogrāfs var iegūt kadru, kurā priekšplāna objekts ir skaidri fokusēts, bet fons ir apzināti izplūdis, lai mazinātu traucējošos elementus. Tomēr spoguļkameras ir dārgas, un amatieriem tās ir grūti izmantot. Datorfotogrāfijas pētnieki cenšas izstrādāt vienkāršu mobilā tālruņa kameru ar fiksētu objektīvu, kas ikvienam atvieglo šādu efektu panākšanu. Viņi arī cer dot fotogrāfiem iespēju izvēlēties, kurus objektus viņi vēlas fokusēt pēc attēla uzņemšanas.

Kameras ir paredzētas fokusēšanai uz objektiem noteiktā diapazonā. Kad kamera ir fokusēta uz noteiktu objektu, objektīvs koncentrē gaismu, kas atstaro šo objektu, uz sensoru bloku. Gaisma, kas atstaro objektus, kas nav fokusā, joprojām sasniedz sensorus, taču tā ir nekoncentrēta, kā rezultātā attēls ir izplūdis. Ja kamera nav perfekti fokusēta, saka Durands, objektīvs projicēs punktus no ainas uz sensoru kā diskus, nevis punktus.

Ja ir zināmi attālumi starp kameru un objektiem attēlā, tad attēla datiem var pielietot algoritmu, lai asinātu attēla nefokusētās daļas, pārvēršot izplūdušos gaismas diskus fokusētos punktos. Tomēr parastās kameras nevar pašas noteikt šo dziļuma informāciju.

Lai no fotogrāfijas iegūtu dziļuma informāciju, Durands, Frīmens un citi kolēģi pārveidoja esošu objektīvu ar diafragmas atvērumā ievietotu masku. Būtībā maska ​​ir kartona gabals, kas bloķē daļu gaismas, lai smalki mainītu attēla nefokusēto daļu izskatu. Durands skaidro, ka nediferencētais izplūšana, ko rada parasts nefokusa objektīvs, nesniedz pietiekami daudz norādes, ko varētu izmantot, lai rekonstruētu skaidru attēlu. Taču viņu maska ​​maina šo viendabīgo izplūšanu par to, ko viņš sauc par dīvainu, bet strukturētu haosu. Svītras un citas neparastas izplūdušā attēla iezīmes palīdz pētniekiem atgūt dziļuma informāciju: pateicoties tam, kā maska ​​bloķē gaismu kameras diafragmas atvērumā, objekts, kas atrodas 10 pēdu attālumā no kameras, tiks izplūdis savādāk nekā objekts piecu collu attālumā. Tā kā viņi zina maskas formu, pētnieki ir spējuši matemātiski definēt ar katru dziļumu saistīto izplūšanu, ļaujot viņiem izstrādāt algoritmu, kas to var atsaukt. (skatiet parasto un kodēto diafragmu fotoattēlus un dziļuma informācijas ieguvi, M15. lpp.) .

Vēl viena stratēģija fokusa uzlabošanai, īpaši vienkāršā mobilā tālruņa kamerā, ir līdzīga Duranda tehnikai kustības izplūšanas novēršanai. SLR lielais diafragmas atvēruma izmērs nodrošina mazu lauka dziļumu (attālumu diapazons no kameras, kur objekti ir asi fokusēti), kas ļauj fokusēties uz konkrētu objektu un ļauj fonam, priekšplānam vai pat abiem. atkāpties, skaidro Raskars. Taču attēli, kas uzņemti ar parasto mobilo tālruņu kamerām, kurām ir ļoti mazs diafragmas atvērums, šķiet plakana, jo viss izskatās tā, it kā tas būtu tādā pašā attālumā no kameras. Pirmajā IEEE starptautiskajā konferencē par skaitļošanas fotogrāfiju, kas notika aprīlī Sanfrancisko, postdoc Ankit Mohan prezentēja rakstu, ko viņš rakstīja kopā ar Raskaru un citiem, aprakstot paņēmienu, kā simulēt objektīvu ar lielāku diafragmas atvērumu. Viņi demonstrēja, kā fiksēta objektīva kameru var izveidot tā, lai gan tās objektīvs, gan sensors ekspozīcijas laikā nedaudz kustas. Mainot kustības ātrumu un diapazonu, tie faktiski var mainīt fokusa attālumu un diafragmas lielumu, lai kontrolētu, kura fotoattēla daļa ir fokusā; pārējais ir apzināti izplūdis (skatiet Fokusa vadība kamerām ar fiksētu objektīvu, M15. lpp.) . Šāda tehnoloģija lētai mobilā tālruņa kamerai varētu nodrošināt spoguļkameras fokusēšanas vadību.

Apgaismojuma, perspektīvas regulēšana

Uzlabota fokusēšana ir tikai sākums; skaitļošanas fotogrāfija var arī ļaut cilvēkiem pielāgot ainas apgaismojumu vai pat mainīt kameras perspektīvu pēc kadra uzņemšanas. Tas ir tāds triks, ko padara iespējamu datorredze. To ir grūti izdarīt, ja jūsu datoram ir izpratne par attēlu tikai pikseļu līmenī, saka Frīmens. Bet, ja varat dot datoram izpratni par šo attēlu augstāka līmeņa koncepciju, piemēram, apgaismojuma vai formas, izteiksmē, varat ļaut lietotājam pielāgot pogas, kas kontrolē šos daudzumus.

Šī augstāka līmeņa izpratne nāk no attēlu analīzes algoritmiem, kas ļauj datoram redzēt attēla sastāvdaļas. Piemēram, algoritms var noteikt, kuras attēla sastāvdaļas ir saistītas ar objekta virsmas krāsojumu un kuras ir saistītas ar gaismas modulāciju, ko atstaro tā forma. Kad tas ir zināms, lietotājs var neatkarīgi pielāgot virsmas krāsu un apgaismojuma efektus. Mērķis ir izveidot sistēmu, kas var noteikt, teiksim, kur beidzas tumša galvenās rievas gabala mala un sākas ēna, ko tas met uz plāksnes.

Raskars saka, ka šādi paņēmieni varētu atklāt detaļas, piemēram, smalkas sejas izteiksmes, kuras iepriekš būtu aizklājušas ēnas. Īsāk sakot, kameras varēs precīzāk iemūžināt ainas būtību. Kad jūs ejat pa ielu ar draugu, jūs varat atrasties jebkura veida apgaismojumā un redzēt, cik šī persona ir skaista, viņš saka. Šobrīd fotogrāfija to nevar izdarīt. Taču skaitļošanas metodes samazina plaisu, kas joprojām atdala aci un smadzenes no kameras. Pēc desmit gadiem, viņš saka, tas var būt tieši tas, ko var darīt fotogrāfija.

paslēpties