Die aktiv beleuchtete Einzelpixelkamera wurde 50-mal beschleunigt

Beispiele von Fotos, die mit der neuen Einzelpixel-Kamera mit Hintergrundbeleuchtung für nur 50 Vorlagen aus einer zufälligen Bernoulli-Verteilung aufgenommen wurden (M = 50)

In der traditionellen digitalen Fotografie ist es üblich, ein Objektiv zu verwenden, das einen Lichtstrom erzeugt und ihn auf eine Matrix lichtempfindlicher Elemente lenkt - einen CCD- oder CMOS-Sensor einer Digitalkamera. Es wird angenommen, dass das Foto umso besser ist, je mehr Elemente in der Matrix enthalten sind: 20 Millionen Elemente sind besser als 13 Millionen. Dies ist neben dem Öffnungsverhältnis des Objektivs und der Dichte der Elemente selbst einer der Hauptindikatoren für die Qualität der Fotografie (je niedriger die Dichte, desto größer die physikalische Größe der Matrix, desto weniger Verzerrungen und Interferenzen verursachen die Elemente).

Was aber, wenn die Kamera überhaupt kein Objektiv hat und die lichtempfindliche Matrix aus 1 (einem) Pixel besteht? Mit modernen digitalen Signalverarbeitungstechnologien können Sie den Lichtstrom wirklich sehr schnell mit einem einzigen lichtempfindlichen Element erfassen und verarbeiten. In diesem Fall benötigt die Kamera kein Objektiv oder eine große Matrix. Das heißt, die Kameraausrüstung wird durch Computerberechnungen ersetzt.

Die Einzelpixel-Fotografie ist Teil eines neuen Ansatzes, der als Computerfotografie bezeichnet wird . Dazu gehören auch andere innovative Berechnungsmethoden zur Manipulation des Lichtflusses: Klebepanoramen, Erweiterung des Dynamikbereichs durch Mehrfachbelichtung mit unterschiedlichen Verschlusszeiten, Lichtfeldkameras, selbst die berüchtigte Spaltfotografie kann dieser Kategorie zugeordnet werden.

In der Computerfotografie wird das Objekt Messungen unterzogen, die dann dekodiert werden, um ein Bild zu erzeugen. Eine der grundlegenden Aufgaben besteht darin, das Objektiv vollständig zu entfernen, da dies der teuerste und schwerste Teil der Kamera ist. Bei einem ausreichend leistungsstarken Prozessor wird das Objektiv nicht benötigt.

Einer der vielversprechendsten Bereiche der Computerfotografie ist die Druckabtastung. Es ist die Verwendung einer solchen Technik, die es ermöglicht, eine Einzelpixelkamera zu konstruieren, die erstmals 2008 in der Literatur beschrieben wurde . Das ursprüngliche Einzelpixel-Kameramodell ist ein optischer Computer, der aus einer lichtempfindlichen Diode, einem digitalen Mikrospiegel (DMD), zwei Objektiven und einem Analog-Digital-Wandler besteht.


Das Originalmodell einer Einzelpixelkamera im Labor (2008)

Trotz eines solch primitiven Designs mit einer Fotodiode zeichnete die Kamera beim Aufnehmen durchaus erkennbare Objekte auf. In diesem Fall fungiert der digitale Mikrospiegel als räumlicher Lichtmodulator (PMS) - ein notwendiges Element jeder Einzelpixelkamera. In der Rolle des PMS kann es ein anderes Gerät geben, das dem Lichtstrahl unter der Steuerung eines Computers eine bestimmte räumliche Modulation auferlegt. Das Signal wird also codiert und nach seiner Registrierung und Aufzeichnung zurückcodiert und bildet ein Bild.


Rekonstruktion von Messungen einer Fotodiode in Form von Schwarzweiß- und Farbbildern mit 256 × 256 Pixeln (zweite und dritte Fotografie) in einem Modell von 2008. Im ersten Bild - das Originalbild

Eine Einzelpixelkamera erfordert Tausende aufeinanderfolgender Messungen, wobei die Geschwindigkeit ein Schlüsselfaktor ist. Je schneller die Messungen durchgeführt werden, desto besser (es ist wünschenswert, dass sich das Objekt während der Messungen nicht bewegt).

Der technologische Fortschritt steht nicht still und die Sensoren der neuesten Generation können ein Signal viel schneller als die vorherigen registrieren, was neue Möglichkeiten für die Erstellung von Einzelpixelkameras mit besserer Qualität eröffnet. Eine aktuelle Ausgabe des Magazins IEEE Transactions on Computational Imaging vom 20. März 2017 beschreibt eine moderne Einzelpixel-Kamera mit Objektbeleuchtung , die auf einer Zeitskala von Pikosekunden arbeitet.

Die Autoren der wissenschaftlichen Arbeit des Media Lab am Massachusetts Institute of Technology erklären, dass das Pikosekundenintervall es uns ermöglicht, einzelne in den Sensor eintretende Photonen von verschiedenen Punkten des Objekts mit Millimeterauflösung zu unterscheiden. Gleichzeitig registriert der Sensor mehr Informationen von diesem Photon als nur die Tatsache der Ankunft (im Gegensatz zu einem normalen Pixel), sodass als PMS weniger Masken erforderlich sind.

Einzelpixel-Kameras mit einem Intervall von einer Pikosekunde oder weniger wurden früher erstellt, litten jedoch unter einer geringen Empfindlichkeit. Die Einzelphotonen-Avalanche-Fotodiode (SPAD) zeigte eine gute Empfindlichkeit - auf dem Niveau des modernen CMOS, hatte jedoch eine niedrige Geschwindigkeit von zehn Pikosekunden zwischen den Messungen.

Eine neue wissenschaftliche Arbeit beschreibt ein Gerät, das die Vorteile aller zuvor erstellten Einzelpixel-Kameras kombiniert: Es arbeitet im Pikosekundenbereich und zeigt eine Empfindlichkeit wie die von SPAD. Die Experimente zeigten, dass sie 50-mal weniger Hintergrundbeleuchtungsmuster benötigen als herkömmliche Einzelpixel-Kameras, um qualitativ hochwertige Bilder in einer solchen Zeitskala von Messungen zu erhalten. Das heißt, Sie können ein Bild 50-mal schneller erstellen.


Das Funktionsprinzip der ultraschnellen Einzelpixel-Kamera der Probe von 2017: (a) Hintergrundbeleuchtung mit Modulation der Wellenfront; (b) Messen der Ankunftszeit reflektierter Photonen durch einen ultraschnellen omnidirektionalen Sensor

Das Funktionsprinzip der Kamera ist in der Abbildung dargestellt. Es versteht sich, dass jeder Punkt des fotografierten Objekts einen Lichtkegel reflektiert. Indem wir Photonen von einem Kegel registrieren, können wir über die Form des gesamten Objekts und über den Abstand zu jedem Punkt schließen.


Registrierung von Photonen aus dem Lichtkegel an verschiedenen Stellen im Raum (oben) und Signalanalyse (unten)

Die Kamera zeigt eine hervorragende Fotoqualität. In den folgenden Beispielen werden die Beispielfotos (oben) mit einer herkömmlichen Einzelpixelkamera mit 50 und 2500 Hintergrundbeleuchtungsmustern (zweite Reihe) sowie einer neu gestalteten Einzelpixelkamera (dritte und vierte Reihe) verglichen. Die Hintergrundbeleuchtungsmuster werden wie im Experiment mit einer herkömmlichen Einzelpixelkamera aus der zufälligen Bernoulli-Verteilung in {−1, 1} ausgewählt. Bitte beachten Sie, dass in Beispielen der neuen Kamera nur 50 Muster verwendet werden.



Wie Sie sehen können, ist in der neuen Entwicklung die Aufnahmequalität selbst bei einem dramatischen Rückgang der Hintergrundbeleuchtungsmuster viel höher.

Das beschriebene Design einer Einzelpixelkamera mit aktiver Hintergrundbeleuchtung ist ähnlichen Einzelpixelkameras in einer Reihe technischer Merkmale deutlich überlegen. Dies lässt erwarten, dass solche billigen Kameras ohne bewegliche Teile in Zukunft praktische Anwendungen in alltäglichen Haushaltsgeräten finden können.

Die wissenschaftliche Arbeit wurde am 20. März 2017 in der Zeitschrift IEEE Transactions on Computational Imaging (doi: 10.1109 / TCI.2017.2684624, pdf ) veröffentlicht.