Камеры размером с ноготь могут произвести революцию в мире изображений. Они состоят из сотен крошечных "объективов", дешевы в производстве, позволяют производить трехмерную съемку и основаны на том же принципе, что и глаза насекомых.
Снимай, а потом наводи на резкость! Калифорнийский стартап Lytro произвел в прошлом году сенсацию, показав камеру, позволяющую уже после съемки, сидя перед монитором, решать, какие участки изображения сделать четче. "У фотографов, которые не удосужились довести снимок до ума, теперь будет на одну отговорку меньше", — писала газета New York Times.
Камеру создала команда разработчиков во главе с Реном Нг. 32-летний изобретатель защитил в Стэнфордском университете диссертацию на тему камер светового поля. Изначально такие системы состояли из десятков самостоятельных фотокамер, подключенных к суперкомпьютеру. Рену Нг удалось "упаковать" всю необходимую технику в компактный цилиндр, отдаленно напоминающий театральный монокль. Фокусировка изображения производится постфактум при помощи компьютера, специализированное программное обеспечение входит в комплект поставки.
Камеры Lytro вызвали большой интерес, но впоследствии оказались рекламным ходом. Конечно, здорово, когда можно перемещать точку фокусировки с цветка на переднем плане на дом, служащий фоном. Однако специализированные журналы отмечают "не слишком впечатляющее качество", плохой экран видоискателя, "катастрофический" баланс белого, отсутствие вспышки, кнопки дистанционного спуска затвора, возможности сохранять снимки в стандартном формате — при довольно внушительной цене в 400 долларов. Трудно поверить, что подобное устройство действительно произведет революцию в фотографии.
Тем не менее технология, положенная в основу фотоаппаратов Lytro, может повлечь кардинальные перемены в мире фотоснимков. Пожалуй, весь потенциал пленоптической камеры раскрывается в том случае, если ее выпускать не в стильном корпусе, а в миниатюрных и неприметных вариантах. Желающие убедиться в том, что такая незримая революция уже совершается, могут отправиться в Йену, где расположены заводы Carl Zeiss. В невзрачном здании Института прикладной оптики и точной механики имени Фраунхофера на окраине города ведутся исследования.
В стенах затемненной оптической лаборатории ученые экспериментируют с компьютерными микросхемами, умеющими "видеть": миниатюрные, плоские, как ноготь, устройства на металлических ножках напоминают неуклюжих сороконожек. Их микрообъективы незаметны взгляду, поверхность кажется "слепой".
37-летний Франк Випперманн держит перед собой одну из таких микросхем на расстоянии вытянутой руки — и тут же на мониторе ноутбука, подключенного к устройству, отображается лицо: высокий лоб, очки в тонкой оправе. Випперманн подносит чип на расстояние миллиметра к своему носу — и на мониторе уже можно разглядеть поры его кожи. Для этого не требуются ни внешние объективы, ни диафрагмы, ни кнопка спуска затвора. А сами "пленоптические" чипы по размеру сопоставимы с овсяными хлопьями. Границы между электроникой и оптикой размываются.
Благодаря своей неприметности "зрячие" микросхемы уже через несколько лет могут получить повсеместное распространение, и тогда за нами будут "подглядывать" музыкальные проигрыватели, зубные щетки или обычные пуговицы.
"Принцип работы камеры светового поля достаточно прост, —рассказывает Випперманн, возглавляющий в Институте прикладной оптики и точной механики группу разработчиков из десяти человек. — Мы взяли за образец фасеточные глаза насекомых. Вместо одного большого объектива мы используем свыше 200 крохотных, расположенных прямо на поверхности микросхемы". Каждый "объектив" размером с песчинку фиксирует какой-то фрагмент будущего изображения с разрешением 40х40 пикселей. А уже после съемки все они складываются воедино, дополняя друг друга.
Пока что йенские "зрячие" микросхемы — это прототипы, обладающие ограниченной светосильностью; изображение получается расплывчатым, как на старом телевизоре. Однако такие недостатки миниатюрных пленоптических камер искупаются колоссальными преимуществами:
"зрячие" микросхемы в два раза тоньше привычных камер для мобильных телефонов;
движущиеся детали отсутствуют, что обеспечивает быстроту, надежность и низкое энергопотребление;
при массовом производстве их стоимость может составить всего несколько центов;
отснятый материал впоследствии можно фокусировать при помощи компьютера или использовать для получения трехмерных изображений.
Впервые с момента изобретения фотографии (около 1830 года) пленоптические камеры порывают с ее основополагающим принципом. В традиционных фотоаппаратах изображение проходит через один объектив и проецируется на плоскость. Все световые лучи проходят через один набор линз, информация о глубине пространства теряется.
Камеры светового поля, напротив, имеют не один объектив, а сотни. А поскольку каждый из крошечных объективов дает перспективу, несколько отличную от других, то впоследствии при помощи компьютера можно получать трехмерное изображение или произвольно выбирать точку фокусировки.
В 1908 году лауреат Нобелевской премии француз Габриэль Липпман изложил свое видение "интегральной фотографии" — получение стереоскопического изображения при помощи интегральных пластинок. Подобная технология используется и в пленоптических камерах. Увы, поклонникам интегральной фотографии недоставало возможности электронной обработки изображений.
Сегодня компьютерная техника с избытком восполняет этот пробел, и потому многоокое видение становится все более популярным.
В промышленности уже началось победное шествие камер светового поля. Кильская компания Raytrix продавала подобную технику задолго до Lytro. Производители индустриального оборудования используют "3D-глаза" из Киля, в частности, чтобы контролировать качество конвейерной продукции.
По словам йенских исследователей, большой интерес их технология вызывает, прежде всего, в отрасли электроники, уже поступили запросы от Apple, Sony и Intel. А с основателем Lytro Реном Нг незадолго до своей смерти встречался глава Apple Стив Джобс. Пленоптические камеры дают возможность сделать мобильную технику еще более миниатюрной. "Толщина телефонов в основном определяется габаритами камеры, — говорит руководитель рабочих групп по разработке микрообъективов в Институте прикладной оптики и точной механики 60-летний Анреас Бройер. — Благодаря нашим микроматрицам мобильники могут стать еще тоньше".
Другое важное преимущество заключается в том, что 3D-камеры идеально подходят для распознавания жестов: глубина изображения позволяет различать руку и задний план.
Бройер также сотрудничает с автомобильной промышленностью: миниатюрные камеры могут использоваться, чтобы "отслеживать" взгляд водителя. Возможностью заново изобретать зрение Бройер и его сподвижники обязаны другому ученому, который в свое время совершил нечто подобное в области слуха. Деятельность по разработке искусственных фасеточных глаз в Йене финансируется из средств фонда будущего Общества имени Фраунхофера. Он пополняется лицензионными отчислениями за использование формата сжатия аудиофайлов MP3, разработанного с участием фраунхоферского исследователя Карлхайнца Бранденбурга 20 лет назад. Только в 2011 году поступления от лицензий составили 125 млн евро.
Работа мысли в Йене не прекращается, сегодня исследователи пытаются как бы изменить направление: устройство, способное улавливать свет, должно иметь и возможность его излучать. В лаборатории с затемненными окнами проектор толщиной 6 мм показывает мультфильм о семейке Симпсонов, отображаемый на стене. Тот же принцип, что и в пленоптической камере, но с одним отличием: вместо светочувствительных датчиков за микролинзами находятся сотни светодиодов. Аппарат сконструирован 27-летним ученым Марселем Зилером, который еще только работает над своей диссертацией, но уже является обладателем семи патентов.
Проектор, использующий технологию светового поля, позволит получать идеально четкое изображение даже на неровных и волнистых поверхностях: каждый участок изображения фокусируется по отдельности. Исследователи утверждают, что толщина "мини-бимера" позволит встраивать его даже в мобильник.