عينات من الصور الملتقطة بكاميرا أحادية البكسل مع إضاءة خلفية لـ 50 نموذجًا فقط من توزيع Bernoulli العشوائي (M = 50)في التصوير الرقمي التقليدي ، من المعتاد استخدام عدسة تولد تدفقًا مضيئًا وتوجيهها إلى مصفوفة من العناصر الحساسة للضوء - مستشعر CCD أو CMOS لكاميرا رقمية. ويعتقد أنه كلما زادت العناصر في المصفوفة ، كانت الصورة أفضل: 20 مليون عنصر أفضل من 13 مليون عنصر. هذا هو أحد المؤشرات الرئيسية لجودة التصوير الفوتوغرافي ، جنبًا إلى جنب مع نسبة فتحة العدسة وكثافة العناصر نفسها (كلما قلت الكثافة ، زاد الحجم المادي للمصفوفة ، قل التشويه والتداخل الذي تعطيه العناصر).
ولكن ماذا لو لم يكن للكاميرا عدسة على الإطلاق ، وكانت المصفوفة الحساسة للضوء تتكون من 1 (بكسل) بكسل؟ تتيح لك تقنيات معالجة الإشارات الرقمية الحديثة جمع التدفق الضوئي ومعالجته بسرعة كبيرة باستخدام عنصر حساس ضوئي واحد. في هذه الحالة ، لا تحتاج الكاميرا إلى عدسة أو مصفوفة كبيرة. بمعنى ، يتم استبدال معدات الكاميرا بحسابات الكمبيوتر.
التصوير الفوتوغرافي أحادي البكسل هو جزء من نهج جديد يسمى
التصوير الفوتوغرافي الحسابي . يتضمن هذا أيضًا طرقًا حسابية مبتكرة أخرى لمعالجة تدفق الضوء: لصق الصور البانورامية ، وتوسيع النطاق الديناميكي بسبب التعرضات المتعددة بسرعات مصراع مختلفة ، وكاميرات مجال الضوء ، وحتى
التصوير الشقي سيئ السمعة يمكن أن يُعزى إلى هذه الفئة.
في التصوير الفوتوغرافي الحسابي ، يخضع الموضوع
لقياسات يتم فك شفرتها بعد ذلك لإنتاج صورة. تتمثل إحدى المهام الأساسية في التخلص من العدسة تمامًا ، لأن هذا هو الجزء الأغلى والأثقل في الكاميرا. مع معالج قوي بما فيه الكفاية ، ليست هناك حاجة للعدسة.
يعتبر الاستشعار الانضغاطي من أكثر المجالات الواعدة في التصوير الحسابي. إن استخدام مثل هذه التقنية يجعل من الممكن بناء كاميرا أحادية البكسل ، تم
وصفها لأول
مرة في الأدبيات في عام 2008 . نموذج الكاميرا أحادي البكسل الأصلي هو كمبيوتر بصري ، يتكون من صمام ثنائي حساس للضوء
ومرآة رقمية صغيرة (DMD) وعدستين ومحول تناظري إلى رقمي.
النموذج الأصلي لكاميرا أحادية البكسل في المختبر (2008)على الرغم من هذا التصميم البدائي مع الصمام الثنائي الضوئي ، إلا أن الكاميرا سجلت أشياء يمكن التعرف عليها تمامًا عند التصوير. في هذه الحالة ، يعمل الروماتيزم الميكروي الرقمي كمُعدِّل للضوء المكاني (PMS) - وهو عنصر ضروري في أي كاميرا أحادية البكسل. في دور الدورة الشهرية ، يمكن أن يكون هناك جهاز آخر يفرض تعديلًا مكانيًا معينًا على شعاع الضوء تحت سيطرة الكمبيوتر. لذا يتم ترميز الإشارة ، وبعد تسجيلها وتسجيلها ، يتم فك تشفيرها مرة أخرى وتشكيل صورة.
إعادة بناء القياسات التي تم إجراؤها بواسطة الصمام الثنائي الضوئي على شكل صور بالأبيض والأسود والملونة 256 × 256 بكسل (الصور الثانية والثالثة) في نموذج 2008. في الصورة الأولى - الصورة الأصليةتتطلب الكاميرا أحادية البكسل آلاف القياسات المتتالية ، حيث تعد السرعة عاملاً رئيسيًا. كلما تم أخذ القياسات بشكل أسرع ، كان ذلك أفضل (من المستحسن ألا يتحرك الكائن أثناء القياسات).
التقدم التكنولوجي لا يقف ساكنا ، وأجهزة الاستشعار من الجيل الأخير قادرة على تسجيل إشارة أسرع بكثير من السابقة ، مما يفتح إمكانيات جديدة لإنشاء كاميرات أحادية البكسل ذات جودة أفضل. يصف العدد الأخير من
IEEE Transactions on Computational Imaging magazine في 20 مارس 2017
كاميرا حديثة
أحادية البكسل بإضاءة كائن ، والتي تعمل على مقياس زمني من picoseconds.
يوضح مؤلفو العمل العلمي من Media Lab في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن الفاصل الزمني للبيكو ثانية يسمح لنا بتمييز الفوتونات الفردية التي تدخل المستشعر من نقاط مختلفة من الجسم بدقة مليمتر. في الوقت نفسه ، يسجل المستشعر المزيد من المعلومات من هذا الفوتون أكثر من مجرد حقيقة الوصول (على عكس البكسل العادي) ، لذلك هناك حاجة إلى عدد أقل من الأقنعة مثل PMS.
تم إنشاء الكاميرات أحادية البكسل مع فاصل زمني للبيكو ثانية أو أقل في وقت سابق ، لكنها عانت من حساسية منخفضة. أظهر Photon Avalanche Photodiode (SPAD) حساسية جيدة - على مستوى CMOS الحديث ، ولكن كان لديه سرعة منخفضة ، عشرات البيكو ثانية بين القياسات.
يصف عمل علمي جديد جهازًا يجمع بين مزايا جميع الكاميرات أحادية البكسل التي تم إنشاؤها سابقًا: يعمل على مقياس بيكوسكوند ويظهر حساسية مثل حساسية SPAD. أظهرت التجارب أنه للحصول على صور عالية الجودة في مثل هذا النطاق الزمني للقياسات ، فإنها تحتاج إلى أنماط إضاءة خلفية أقل 50 مرة من الكاميرات التقليدية أحادية البكسل. أي أنه يمكنك تكوين صورة أسرع 50 مرة.
مبدأ تشغيل الكاميرا أحادية البكسل فائقة السرعة لعينة عام 2017: (أ) الإضاءة الخلفية مع تعديل واجهة الموجة ؛ (ب) قياس وقت وصول الفوتونات المنعكسة بواسطة مستشعر فائق السرعة شامل الاتجاهاتيظهر مبدأ تشغيل الكاميرا في الرسم التوضيحي. يجب أن يكون مفهوما أن كل نقطة من الجسم المصور تعكس مخروط ضوئي. من خلال تسجيل الفوتونات من مخروط ، يمكننا أن نستنتج حول شكل الجسم بأكمله وعن المسافة إلى كل نقطة.
تسجيل الفوتونات من مخروط الضوء في نقاط مختلفة في الفضاء (أعلاه) وتحليل الإشارات (أدناه)تظهر الكاميرا جودة صورة ممتازة. تقارن العينات التالية عينات الصور (أعلى) بكاميرا تقليدية أحادية البكسل مع أنماط إضاءة خلفية 50 و 2500 (الصف الثاني) ، بالإضافة إلى كاميرا أحادية البكسل ذات التصميم الجديد (الصف الثالث والرابع). يتم تحديد أنماط الإضاءة الخلفية من توزيع Bernoulli العشوائي في {−1 ، 1} ، كما في التجربة باستخدام كاميرا تقليدية أحادية البكسل. يرجى ملاحظة أنه يتم استخدام 50 نمطًا فقط في عينات من الكاميرا الجديدة.
كما ترى ، في التطوير الجديد ، تكون جودة التصوير أعلى بكثير حتى مع انخفاض كبير في أنماط الإضاءة الخلفية.
يتفوق التصميم الموصوف لكاميرا أحادية البكسل ذات الإضاءة الخلفية النشطة بشكل ملحوظ على الكاميرات أحادية البكسل المماثلة في عدد من الخصائص التقنية. هذا يجعل من الممكن توقع أنه في المستقبل يمكن لهذه الكاميرات الرخيصة بدون أجزاء متحركة أن تجد تطبيقات عملية في الأجهزة المنزلية اليومية.
تم
نشر العمل العلمي في 20 مارس 2017 في مجلة
IEEE Transactions on Computational Imaging (doi: 10.1109 / TCI.2017.2684624 ،
pdf ).