En plenoptisk kamera (av lat. plenus , full + annan grekisk ὀπτικός , visuell [1] ), även en ljusfältskamera - en digitalkamera eller digital videokamera , som inte fixerar fördelningen av belysning i planet för den faktiska bilden av lins , men ljusets vektorfält som skapas av den strålar ( ljusfält ). Baserat på ljusfältsmönstret kan den mest kompletta bildinformationen återskapas, lämplig för att skapa en stereobild , fotografier med justerbart skärpedjup och fokus, samt för att lösa olika datorgrafikproblem .
För första gången föreslogs registrering av ett ljusfält med hjälp av ett mikrolinsraster 1908 av Gabriel Lippmann [2] . Integral fotografering på detta sätt registrerar ljuset som reflekteras direkt från objekten som fotograferas, vilket ger en tredimensionell bild med flera vyer. På grund av svårigheterna att få en ortoskopisk bild och framväxten av holografi med liknande möjligheter har tekniken inte fått praktisk tillämpning [3] .
1992 placerade Edelson och Wang ett mikrolinsraster i fokalplanet för en konventionell lins , och registrerade ljusfältet i dess bildrum . En kamera med en sådan anordning kallades "plenoptic", vilket insåg författarnas avsikt att skapa stereopar med en enda lins och lösa problemet med parallaktisk diskrepans mellan bildens kanter [4] . Tekniken blev möjlig tack vare tillkomsten av digital fotografering , som omvandlar bilden bakom mikrolinsrastret direkt till data för beräkning av parametrarna för ljusfältet [5] .
CCD-matrisen är placerad bakom rastret och varje mikroobjekt bygger på sin yta en elementär bild av linsens utgångspupill . På grund av skillnaden i vinklar skiljer sig elementära bilder i olika delar av ramen från varandra och innehåller information om volymen på föremålen som skjuts och om ljusstrålarnas riktning. Vid dechiffrering av den resulterande uppsättningen bilder skapas en virtuell vektormodell av ljusfältet som beskriver riktningen och intensiteten av ljusstrålarna i linsens bildutrymme [6] . Som ett resultat, på basis av denna modell, kan mönstret för belysningsfördelning i något av de konjugerade fokalplanen återskapas [7] .
Utöver de uppgifter som utvecklarna direkt satte, visade sig plenoptikkameran vara lämplig i en helt oväntad kvalitet, vilket möjliggör exakt fokusering på färdiga bilder. För att göra detta, vid avkodning, räcker det att ställa in positionen för det konjugerade fokalplanet, där det krävs för att beräkna belysningsfördelningen [8] .
Dessutom tillåter tillägget av flera tolkningar av samma bild, "fokuserad" på olika avstånd, dig att få bilder med ett "oändligt" skärpedjup med en helt öppen bländare [5] . Den första "omfokuseringen" av ett färdigt fotografi utfördes 2004 av ett team från Stanford University . För detta användes en 16 megapixelkamera med en array på 90 000 mikrolinser. Elementära bilder av varje mikrolins spelades in med en upplösning på cirka 177 pixlar . Upplösningen på den slutliga bilden motsvarade antalet mikrolinser och uppgick till 90 kilopixlar [7] .
Den största nackdelen med ett sådant system är den låga upplösningen av den slutliga bilden, som inte beror på matrisens egenskaper, utan på antalet mikrolinser i rastret [9] . På grund av dessa funktioner beskrivs upplösningsförmågan hos ljusfältskameror inte i megapixlar , utan i "megastrålar" [10] . En billigare design innebär att man använder ett skuggraster som består av hål istället för en rad mikrolinser. Var och en av dem fungerar som en camera obscura och skapar en elementär bild av utgångspupillen från sin egen vinkel. Rastermasken eliminerar artefakter på grund av linsrasteraberrationer , men minskar hela systemets ljusstyrka.
I modern praktisk fotografering är användningen av en ljusfältskamera opraktisk, eftersom befintliga prover är betydligt sämre än konventionella digitalkameror när det gäller upplösning och funktionalitet. Så för att få en slutlig bild med en upplösning på endast 1 megapixel krävs en fotomatris som innehåller minst 10 megapixlar [8] . Samtidigt är implementeringen av en end-to- end elektronisk sökare förknippad med stora svårigheter på grund av behovet av att dekryptera den resulterande datamatrisen i realtid. På grund av teknikens särdrag görs alltid fotografering med objektivets maximala relativa bländare , exklusive exponeringsjustering med hjälp av bländaren . Befintliga klassiska digitalkameror är utrustade med effektiv autofokus , vilket ger skarpa bilder i alla fotograferingshastigheter och högre bildkvalitet.
Samtidigt är plenoptiska kameror utmärkta för tillämpningar som att spåra rörliga föremål [11] . Inspelningar från säkerhetskameror baserade på denna teknik, vid eventuella incidenter, kan användas för att skapa informativa 3D-modeller av misstänkta [12] [13] . Ytterligare förbättringar av tekniken kan göra den lämplig för digital 3D- film , eftersom den eliminerar parallaxfel mellan kanterna på ramen och gör det möjligt att välja fokusplan på den färdiga bilden, vilket förenklar arbetet med fokusavdragaren .
Datorgrafiklaboratoriet vid Stanford University har utvecklat ett digitalt mikroskop som fungerar på en liknande princip med ett linsraster. Inom mikrofotografering gör möjligheten att justera skärpedjupet att du kan skapa skarpa bilder utan att minska bländaren . Tekniken används redan i Nikons mikroskop i Eclipse-serien [5] .
2005 skapade studenter vid Stanford University en kamera baserad på SLR- kameran Contax 645 som fungerar enligt dessa principer. En plenoptisk fäste installerades framför den digitala bakmatrisen , bestående av många mikrolinser [14] . Ljusfältsfotografiforskaren Ren Ng skrev en avhandling baserad på detta arbete, och grundade 2006 Lytro- projektet [8] (ursprungligen kallat Refocus Imaging ),
i slutet av 2011, för att skapa en konkurrenskraftig [ljusfält]-kamera som är prisvärd för konsumenten och som får plats i fickan.
2011 , med stöd av Steve Jobs , meddelade företaget att de accepterade beställningar på den kamera som det hade utvecklat, som blev tillgänglig för försäljning i oktober samma år. Med en upplösning på 11 megastrålar gav kameran en fysisk upplösning på 1080×1080 pixlar [14] .
Mitsubishis eltekniska laboratorium har utvecklat en ljusfältskamera "MERL", baserad på principen om en optisk heterodyne och en rastermask placerad framför fotomatrisen. Vilken digital baksida som helst i mediumformat kan omvandlas till en plenoptisk baksida genom att helt enkelt placera en sådan mask framför standardsensorn [15] . Samtidigt, på grund av de grundläggande skillnaderna mellan masken och linsrastret, är det möjligt att undvika att minska upplösningen.
Adobe Systems har utvecklat en alternativ kameradesign som fungerar enligt olika principer. Enheten fotograferar på en 100-megapixelmatris samtidigt genom 19 objektiv fokuserade på olika avstånd. Som ett resultat erhålls separata bilder av motivet med olika fokus på 19 områden av 5,2 megapixelsensorn. Ytterligare bearbetning av datamatrisen låter dig välja en bild med önskat fokus eller kombinera olika för att utöka skärpedjupet [16] . Dessutom låter systemet dig skapa tredimensionella fotografier som absolut skarpt visar objekt på vilket avstånd som helst genom att kombinera skarpa sektioner av olika "lager" av bilden. Nokia investerar i utvecklingen av en plenoptisk miniatyrkamera med en linsuppsättning med 16 celler [ 17] .
I april 2016 tillkännagavs lanseringen av den digitala filmkameran Lytro Cinema med en fysisk matrisupplösning på 755 megapixlar [18] [19] . Utvecklarna hävdar att den nya kameran på 125 000 $ eliminerar behovet av vandrande mask- och chroma key -teknologier , eftersom det är möjligt att lägga lager-för-lager-bilder på olika avstånd från kameran [20] . Dessutom är lpf-videodata som fångas av kameran lämpliga för att skapa både "platta" 2D-filmer och 3D-stereofilmer . Den största fördelen med "Lytro Cinema" är möjligheten att överge yrket som en fokusavdragare , vars ödesdigra misstag är oundvikliga med alla kvalifikationer. Fokusering på scenviktiga fotograferingsobjekt kan utföras på redan infångat material med hög noggrannhet och godtycklig översättningshastighet [21] [22] .