Kā modificēt viedtālruņa kameru, lai tā uzņemtu miljonu kadru sekundē

xiaojie2020

Trīsdesmitajos gados jauns elektroinženieris Harolds Edgertons sāka eksperimentēt ar elektronisko zibspuldzes fotografēšanu MIT. Viņš to plaši izmantoja, lai iesaldētu tādu ikdienas priekšmetu darbību kā ūdens straume, plīstošs balons un lode, kas ietriecās ābolā.

Edgertons kļuva par celmlauža plašu vienas un vairāku zibspuldzes metožu klāstu (kā arī daudzām citām attēlveidošanas metodēm). Daudzi no tiem tagad ir pieejami kā standarta populārās kameras un viedtālruņi.

Kopš tā laika aizvara ātrums ir palielinājies. Daži iPhone tālruņi var uzņemt atsevišķus attēlus ar slēdža ātrumu 1/10 000 sekundes. Speciālās kameras var ierakstīt attēlus ar ātrumu 40 000 sekundē. Taču šāda veida rīki ir sarežģīti un dārgi, tāpēc vairumam cilvēku šie paņēmieni nav pieejami.

Šobrīd šķiet, ka tas mainīsies, pateicoties Sema Dillavou Hārvardas universitātē un pāris kolēģu darbam, kuri ir izstrādājuši paņēmienu, kas ļauj parastajām elektroniskajām kamerām un viedtālruņiem ierakstīt attēlus ar elpu aizraujošu ātrumu miljoniem kadru sekundē.

Vispirms nedaudz fona. Mūsdienu kameras izmanto elektroniskos pikseļus, lai ierakstītu gaismu, kas uz tām nonāk. Šie pikseļi reģistrē intensitāti, parasti 16 līmeņu skalā. To nosaka pikseļu bitu līmenis. Tātad ekspozīcijas laikā katrs pikselis var ierakstīt 14 pelēkā nokrāsas starp melnu un baltu.

Taču daudziem attēlveidošanas veidiem šāds detalizācijas līmenis nav vajadzīgs — viss, kas nepieciešams, ir vienkāršs melnbalts attēls. Tādā gadījumā papildu pelēkā detaļa ir lieka.

Tas Dillavou un kolēģiem radīja ideju, kā atsevišķus attēlus sadalīt vairākās īsākās ekspozīcijās.

Lūk, kā. Iedomājieties baltu sienu, ko pārklāj melns aizkars. Tagad atveriet aizkaru no kreisās uz labo pusi, lai atklātu sienu, un ierakstiet kustību vienā ekspozīcijā.

Ekspozīcijas laikā pikseļi attēla kreisajā pusē vispirms ieraksta melno aizkaru, bet pēc tam balto sienu, kad aizkars pārvietojas pāri kadram. Vidēji tas ir gaiši pelēks.

Turpretim pikseļi, kas ieraksta attēla labo pusi, lielāko ekspozīcijas daļu redz melno aizkaru. Tikai ekspozīcijas beigās atklājas baltā siena. Tādā gadījumā vidējais rādītājs ir tumši pelēks.

Līdzīgi pikseļi attēla vidū ierakstīs vidēji pelēku krāsu. Un pēdējais attēls parādās kā graduēta pelēka krāsa, kas attēlo aizkara kustību.

Dillavou un kolēģu galvenā ideja ir tāda, ka šo vienu attēlu var uzskatīt par daudziem melnbaltiem momentuzņēmumiem, kuros redzams kustīgais aizkars, kas ir uzlikti viens otram. Patiešām, attēlu skaits, ko var izvilkt no viena attēla, ir atkarīgs no pikseļu ierakstīto bitu līmeņu skaita.

Apbruņojušies ar šo ieskatu, viņi izstrādāja matemātisko paņēmienu, lai iegūtu šos attēlus no viena attēla. Šo ideju viņi sauc par virtuālo kadru tehniku. Šajā gadījumā tas var izveidot 16 attēlus no aizkara, kas pārvietojas pāri sienai.

Šis paņēmiens spēj pārvērst gandrīz jebkuru elektronisko kameru par ātrgaitas brīnumu. Komanda to ir pārbaudījusi, salīdzinot virtuālos kadrus ar tiem, kas uzņemti ātrgaitas kamerā ar 40 000 kadriem sekundē.

Viņi novietoja izstieptu gumijas loksni priekšā staru sadalītājam, kas nosūtīja gaismu uz abām kamerām, tāpēc abām bija vienāds skats uz loksni. Komanda uzstādīja apgaismojumu tā, lai gumijas loksne būtu melna, bet fons būtu balts. Viņi izmantoja skalpeli, lai iegrieztu gumijas palagu, un ar abām kamerām ierakstīja, kā tā sadalās, kad lūzums skrēja pāri palagai.

Visbeidzot, komanda izmantoja virtuālo kadru tehniku, lai iegūtu liela kadru ātruma attēlus un salīdzinātu tos ar attēliem no ātrgaitas kameras, kas fotografē ar 40 000 kadru sekundē. Šī salīdzinājuma video ir lejupielādējama šeit .

Rezultāti liecina, ka virtuālā kadra tehnikai ir milzīgs potenciāls. Pirmkārt, abās attēlu kopās ir redzams līdzīgs lūzuma process, kas apstiprina pieejas lietderību. Bet tam ir arī vairākas būtiskas priekšrocības. Tas katrā attēlā ieraksta 1,3 megapikseļus, salīdzinot ar standarta kameras 60 kilopikseļiem. Tas ievērojami palielina redzes lauku un līdz ar to attālumu, kādā var reģistrēt lūzumu.

Arī virtuālais kadru ātrums ir daudz ātrāks. Efektīvais kadru ātrums, kas tiek sasniegts, izmantojot [virtuālo kadrēšanas paņēmienu], ir 1 MHz, saka Dillavou un citi.

Viņi turpina pētīt, kā jaunās tehnikas izmantošana dažādām kamerām palielina to kadru ātrumu. Skaitļi atver acis. Piemēram, Nikon D850 ieraksta virtuālos kadrus ar frekvenci 16 MHz, vienlaikus saglabājot izšķirtspēju, kas pārsniedz 50 Mpx, viņi saka. Pat iPhone X, izmantojot šo paņēmienu, spēj ierakstīt līdz pat miljonam kadru sekundē.

Nav pamata domāt, ka to nevar viegli pārvaldīt, jo visa apstrāde tiek veikta vēlāk. Šis uzlabotais virtuālais kadru nomaiņas ātrums neprasa nekādas izmaiņas kameras darbībā, norāda komanda.

Tomēr ir daži svarīgi ierobežojumi parādību veidiem, ko var reģistrēt šādā veidā. Pirmkārt, interesējošajam objektam jābūt melnam uz balta fona (vai otrādi). Jebkuri pelēkie toņi ainā sabojās rezultātus.

Un pašai parādībai jābūt tādai, ko Dillavou un co sauc par monotonu. Citiem vārdiem sakot, visām izmaiņām ekspozīcijas laikā ir jāpāriet no melnas uz baltu (vai otrādi), bet ne atpakaļ. Piemērā ar aizkaru virtuālā rāmja tehnika darbojas, ja aizkars pārvietojas vienā virzienā, bet ne, ja tas kustas uz priekšu un atpakaļ.

Tomēr virtuālā kadra tehnika ir ievērojams sasniegums fotografēšanai. Tam ir iespēja pārvērst viedtālruņa kameru jūsu aizmugurējā kabatā par ātrgaitas ierakstītāju, kas būtu iespaidojis pat Doku Edgertonu.

Atsauce: arxiv.org/abs/1811.02936 : Virtuālā kadra tehnika: īpaši ātra attēlveidošana ar jebkuru kameru

paslēpties