ما يقرب من قرنين من وجود الكاميرا لم يكن يجب أن يترك المهندسين فرصة لإضافة "شيء آخر". تقوم الكاميرات الحديثة بتصوير فيديو عالي الجودة وتحميل الصور إلى السحابة والتقاط العلامات الجغرافية. يمكننا أخذ صور بانورامية و 360 درجة ، ومشاهدة النجوم وإبطاء الوقت. لكن التقدم لا يقف ساكنا ، ولكنه يندفع نحو المستقبل ، تغذيها العقول السائلة.
التكنولوجيا التي سيتم مناقشتها اليوم ليست جديدة في طبيعتها. لكن الطريقة التي يتم بها تطبيقه تستحق بالتأكيد النظر فيها. ستكون عدسة مجال ضوء مثيرة للاهتمام يمكن استخدامها مع أي كاميرا DSLR.
ما هو حقل Ligh وماذا تأكل؟
تم اقتراح مصطلح
المجال الضوئي نفسه من قبل الفيزيائي السوفييتي غيرشون في عام 1936 في عمله على الخصائص الإشعاعية للضوء.
مجال الضوء هو دالة متجه تصف مرور الضوء في أي اتجاه عبر نقطة في الفضاء.
يمكن وصف شعاع من الضوء (أو بالأحرى اتجاهه) لنقطة معينة في الفضاء بخمس معلمات (ما يسمى بوظيفة 5D-plenoptic):
x و
y و
z وزاويتين
θ و
ϕ . من خلال دمج ناقلات المجال التي تم الحصول عليها من وجهات نظر مختلفة ، نحصل على قيمة الإضاءة الإجمالية. ولدينا وصف كامل لأشعة الضوء في الفضاء ، يمكننا أن نحدد بدقة ، على سبيل المثال ، كيف يبدو الجسم من أي وجهة نظر.
ما هو التطبيق العملي لنظرية مجال الضوء؟ واحدة من أكثر المناطق إثارة للاهتمام هي كاميرات المجال الخفيف. على عكس الكاميرات الكلاسيكية ، التي تسجل شدة الضوء عند نقاط الجسم ، تأخذ كاميرا مجال الضوء أيضًا في الاعتبار اتجاه الأشعة ، الصادرة وهذه النقاط. وبعبارة أخرى ، فإننا نلتقط أشعة "فردية" للضوء تنبعث من الجسم. وهذا بدوره يسمح لك بالحصول على الإحداثيات المادية للأجسام في الفضاء وخريطة العمق.
كيف يتم ترتيب الكاميرات الميدانية الخفيفة؟
نحن نعلم بالفعل أن كاميرا من هذا النوع يجب أن تسجل ليس فقط الشدة ، ولكن أيضًا اتجاه أشعة الضوء المنبعثة من الجسم. إحدى طرق تنفيذ ذلك هي استخدام مجموعة من العدسات أمام المستشعر البصري. تجمع هذه العدسات أشعة الضوء من جسم يقع في جزء معين من المشهد وتركزها على المستشعر.
من المهم أن نفهم أنه في هذه الحالة لم تعد العدسة الرئيسية للعدسة تركز الصورة على المستشعر. بدلاً من ذلك ، يتم إسقاط الأشعة على مستوى مجموعة العدسات (في الكاميرات الكلاسيكية ، يقع المستشعر في هذه الطائرة بالضبط) ، تمر مجموعة العدسات ، ثم تسقط بعد ذلك على المستشعر ، وتشكل صورة فسيفساء لأجزاء مختلفة من المشهد.
يوضح الشكل مخططًا مبسطًا لتشغيل مثل هذه العدسة. بفضل التنظيم الماكر للنظام البصري ، في النهاية ، لم نحصل على صورة واحدة ، بل العديد من صور الكائن ، وكل صورة من هذا القبيل تخلق تمثيلًا فريدًا للكائن من زاوية نظره الفريدة.
ومع ذلك ، فإن هذا المخطط له عدد من العيوب ، مثل التكلفة العالية للتصنيع ، وتعقيد المعايرة ، والتحكم في الفتحة ، وغيرها من معلمات النظام. أحد أشهر الأمثلة على هذه الكاميرات هو منتج Lytro - كاميرا Lytro Illum (يبدو أن المشروع متجمد)
هل يمكنك أن تجعل الأمر أسهل؟
يمكنك. لا تحتوي العدسة التي أريد التحدث عنها في هذه المقالة على مجموعة من العدسات الدقيقة. بدلاً من ذلك ، يتم استخدام نظام ، وهو عبارة عن "قناة" مرآة ذات مقطع مستطيل (صندوق مرآة) ، حيث بفضل الانعكاس المتعدد ، يتم تشكيل ما يسمى بالصورة المتغيرة ، والتي يتم تسجيلها بواسطة مستشعر الكاميرا بالطريقة المعتادة.
تتطور شركة ألمانية صغيرة. العدسة في مرحلة نموذج أولي يعمل بشكل كامل ، ومبدأ تشغيله بسيط للغاية.
تبدو الصور التي حصل عليها النظام على النحو التالي:
تنعكس العناصر هنا. مثل هذه الصورة غير التقليدية هي نتيجة لانعكاس الأشعة في "قناة المرآة".
وهذه هي الطريقة التي يبدو بها الفرق المطلق بين العناصر المستردة (البكسل الساطع يعني اختلافًا أكبر في القيم):
وبعبارة أخرى ، ليس لدينا سوى زوج ستيريو. أو بالأحرى ، ستيريو تسعة (عناصر 3x3). من خلال تغيير المعلمات الهندسية للقناة ، يمكننا الحصول على 5x5 وحتى الأبعاد الكبيرة ، والتي ، مع ذلك ، لا معنى لها في الحياة الواقعية وحتى الأذى.
لذا ، لدينا مجموعة من الصور التي تشكل صورة متغيرة. ماذا بعد ذلك؟
هذا هو المكان الذي ينتهي عنده الجهاز البصري التناظري الدافئ ، ويبدأ اللينة الرقمية الباردة.
المعايرة
بغض النظر عن التطبيق ، يجب استعادة الصور (تحتاج إلى معايرة النظام البصري بأكمله ، وتطبيق بيانات المعايرة التي تم الحصول عليها على الصور). العملية مملة إلى حد ما ، ولكنها مهمة ، نظرًا لأن العناصر المختلفة للصورة المتغيرة يجب بالضرورة أن تكون "منسقة" مع بعضها البعض (حتى غير مهمة / عدة بكسل / تناقضات في العناصر يمكن أن تفسد النتيجة والانطباع بشكل كبير). هناك العديد من الأعمال حول موضوع المعايرة ، لذلك لا معنى لكشف التفاصيل. تحتاج فقط إلى تذكر أن المعايرة مهمة جدًا لأي تطبيق استريو.
خريطة العمق
بعد أن تلقينا صورًا "متساوية" ، يمكننا إنشاء خريطة متعمقة.
ربما يكون هذا هو الجزء الأكثر أهمية وصعوبة في خط الأنابيب. تعتمد جودة التطبيق النهائي على جودة خريطة العمق. وتعتمد جودة خريطة العمق بدورها على جودة المعايرة والخوارزمية المختارة و "تعقيد" المشهد.
ولكن بغض النظر عن الخوارزمية ، فإن المهمة هي نفسها دائمًا - للعثور على النقاط المقابلة للصور اليمنى واليسرى (وفي حالتنا + 7 صور أخرى) وحساب المسافة (التفاوت) بينهما. ستكون قيمة المسافة متبادلة لقيمة العمق لوحدة بكسل معينة.
لماذا تستخدم 9 صور إذا كان بإمكانك الحصول على صورتين؟ من الواضح ، باستخدام المزيد من الصور ، لدينا المزيد من المعلومات حول المشهد ويمكننا حل بعض مشاكل الخوارزميات الموجودة جزئيًا لتقدير خريطة العمق.
من بين المشاكل الكلاسيكية لهذه الخوارزميات:
- أسطح رتيبة ذات لون واحد بدون نسيج - الخوارزمية ببساطة ليس لديها ما "تمسكه" في عملية العثور على التطابقات
- تداخل الكائنات (مرئي من زاوية وغير مرئي من زاوية أخرى)
- الظلال والانعكاسات على الأسطح العاكسة أو اللامعة
- تشكل الهياكل المنتظمة مثل الخلايا والمخططات مشكلات ، حيث ليس من الواضح دائمًا أي خلية من الصورة A تتوافق مع خلية الصورة B.
- حدود الصور - مشكلة مشابهة لمشكلة الأجسام المتداخلة. عند حدود الصور ، تضيع المعلومات حتمًا من أي زاوية.
هناك العديد من الخوارزميات عالية الجودة وليست خارطة جدًا لبناء خريطة تفصيلية. أكثر التطورات الواعدة الآن في مجال النهج الهجينة باستخدام الأساليب الكلاسيكية وتقنيات التعلم الآلي المختلفة (CNN ، DNN). كما هو الحال دائمًا ، فإن اختيار الخوارزمية هو حل وسط بين السرعة والجودة. لحسن الحظ ، في التصوير الفوتوغرافي يمكننا تحمل التراجع عن الوقت الفعلي والحصول على خريطة عمق أفضل.
بالنسبة لمثالنا ، تبدو خريطة العمق على النحو التالي:
التركيز اللاحق
لدينا خريطة الأعماق ، ماذا نفعل بها الآن؟ غالبًا ما تكون المعلومات حول بعد الأشياء مفيدة. أحد التطبيقات الشائعة هو التركيز اللاحق.
يعد التخلص من التركيز أحد مشكلات المصورين. هل لاحظت أنه في الصورة الأصلية كان المشهد بأكمله في بؤرة التركيز؟ هذه هي الطريقة التي يبدو بها التركيز اللاحق بناءً على خريطة العمق:
وتجدر الإشارة إلى أنه مع هذا النهج ، نتخلص بالفعل من الخصائص الفيزيائية للنظام البصري. يسمح هذا ، على سبيل المثال ، بإنشاء صورة خوارزمية بعدة حيل. أو برمجياً تغيير عمق مساحة مصورة بشكل حاد (عمق المجال).
تطبيقات أخرى
ما بعد التركيز هو التطبيق الرئيسي ، لكنه لا يزال ليس التطبيق الوحيد. بشكل عام ، يمكن اعتبار هذه العدسة كمجموعة من الكاميرات الافتراضية (9 قطع). وفقًا لذلك ، ينطبق على جميع تلك التطبيقات التي يمكنك تخيلها لمجموعة من الكاميرات ، على سبيل المثال:
- مرشحات الاستقطاب - يحتوي كل عنصر من عناصر الصورة التسعة على مرشح الاستقطاب الخاص به مع اتجاه معين. يسمح لك هذا بالحصول على 9 صور ذات استقطابات مختلفة في لقطة واحدة وحتى إنشاء سلسلة فيديو لتغيير سلس في اتجاه الاستقطاب
- HDR (High-Dynamic-Range) - نفس المبدأ: 9 فلاتر مختلفة + خوارزمية للحصول على "تركيبة" مثالية للسطوع
- تغيير المنظور
- تحرير قائم على العمق - يسمح لك بتطبيق مرشحات مختلفة على أعماق مختلفة. على سبيل المثال ، اجعل الخلفية بالأبيض والأسود ، مع تمييز المقدمة.
- التقسيم - اختيار الأشياء الموجودة على مسافة معينة
- قياس المسافة - مسطرة للصور. وهي تعمل بشكل جيد بشكل خاص مع المشاهد "الضحلة" التي يسهل حساب التفاوت فيها.
- تطبيقات للصناعة - طرق مختلفة لتقييم جودة الإنتاج والمراقبة
الخلاصة
لا يزال سؤال التكلفة النهائية لهذه العدسة مفتوحًا ، ولكن تم بالفعل تحديد بعض المعلمات المادية. من المعروف أن الطول لا يجب أن يتجاوز 20 سم ، والكتلة - 800 جم. يذكر أن هذا الجهاز سيكون متوافقًا بشكل أساسي مع كاميرات Sony و Canon و Nikon.
خارج المقالة بقيت مواضيع مهمة مثل الاستخدام العملي للكاميرات القياسية مع معين المنظر ، واستعادة الدقة (الدقة الفائقة) ، ومعالجة الخوارزميات والتكامل مع المحررين الرسومية. سأتحدث عن هذا في المرة القادمة.
شكرا لكم على اهتمامكم!