Appareil photo à pixel actif à éclairage actif accéléré 50 fois

Échantillons de photographies prises avec le nouvel appareil photo à pixel unique avec rétro-éclairage pour seulement 50 modèles à partir d'une distribution Bernoulli aléatoire (M = 50)

Dans la photographie numérique traditionnelle, il est courant d'utiliser un objectif qui génère un flux lumineux et le dirige vers une matrice d'éléments photosensibles - un capteur CCD ou CMOS d'un appareil photo numérique. On pense que plus il y a d'éléments dans la matrice, meilleure est la photographie: 20 millions d'éléments valent mieux que 13 millions. C'est l'un des principaux indicateurs de la qualité de la photographie, ainsi que le rapport d'ouverture de l'objectif et la densité des éléments eux-mêmes (plus la densité est faible, plus la taille physique de la matrice est grande, moins les éléments donnent de distorsion et d'interférence).

Mais que se passe-t-il si l'appareil photo n'a pas d'objectif du tout et que la matrice photosensible se compose de 1 (un) pixel? Les technologies modernes de traitement du signal numérique vous permettent vraiment de collecter et de traiter très rapidement le flux lumineux avec un seul élément photosensible. Dans ce cas, l'appareil photo n'a pas besoin d'un objectif ou d'une grande matrice. Autrement dit, l'équipement de la caméra est remplacé par des calculs informatiques.

La photographie à un pixel fait partie d'une nouvelle approche appelée photographie informatique . Cela inclut également d'autres méthodes de calcul innovantes pour manipuler le flux lumineux: collage de panoramas, extension de la plage dynamique en raison d'expositions multiples avec différentes vitesses d'obturation, caméras à champ lumineux, même la photographie de fente notoire peut être attribuée à cette catégorie.

En photographie numérique, le sujet subit des mesures , qui sont ensuite décodées pour produire une image. L'une des tâches fondamentales consiste à se débarrasser complètement de l'objectif, car il s'agit de la partie la plus chère et la plus lourde de l'appareil photo. Avec un processeur suffisamment puissant, l'objectif n'est pas nécessaire.

L'un des domaines les plus prometteurs de la photographie informatique est la détection compressive. C'est l'utilisation d'une telle technique qui permet de construire une caméra mono pixel, décrite pour la première fois dans la littérature en 2008 . Le modèle d'appareil photo à pixel unique d'origine est un ordinateur optique composé d'une seule diode photosensible, d'un micro-miroir numérique (DMD), de deux objectifs et d'un convertisseur analogique-numérique.


Le modèle original d'une caméra mono-pixel en laboratoire (2008)

Malgré une conception aussi primitive avec une seule photodiode, l'appareil photo enregistrait les objets lors de la prise de vue. Dans ce cas, le micromiroir numérique agit comme un modulateur spatial de lumière (PMS) - un élément nécessaire de toute caméra à pixel unique. Dans le rôle du PMS, il peut y avoir un autre appareil qui impose une certaine modulation spatiale au faisceau lumineux sous le contrôle d'un ordinateur. Ainsi, le signal est codé, et après son enregistrement et son enregistrement, il est décodé et forme une image.


Reconstitution de mesures effectuées par une photodiode sous forme d'images en noir et blanc et en couleur de 256 × 256 pixels (deuxième et troisième photographies) dans un modèle 2008. Dans la première image - l'image originale

Un appareil photo à pixel unique nécessite des milliers de mesures consécutives, où la vitesse est un facteur clé. Plus les mesures sont prises rapidement, mieux c'est (il est souhaitable que l'objet ne bouge pas pendant les mesures).

Les progrès technologiques ne s'arrêtent pas et les capteurs de dernière génération sont capables d'enregistrer un signal beaucoup plus rapidement que les précédents, ce qui ouvre de nouvelles possibilités pour créer des caméras mono-pixel de meilleure qualité. Un récent numéro du magazine IEEE Transactions on Computational Imaging du 20 mars 2017 décrit une caméra moderne à pixel unique avec éclairage d'objet , qui fonctionne sur une échelle de temps de picosecondes.

Les auteurs des travaux scientifiques du Media Lab du Massachusetts Institute of Technology expliquent que l'intervalle picoseconde nous permet de distinguer les photons individuels entrant dans le capteur de différents points de l'objet avec une résolution millimétrique. Dans le même temps, le capteur enregistre plus d'informations de ce photon que le simple fait de l'arrivée (contrairement à un pixel normal), donc moins de masques sont nécessaires en tant que PMS.

Des caméras à pixel unique avec un intervalle d'une picoseconde ou moins ont été créées plus tôt, mais elles souffraient d'une faible sensibilité. La photodiode à avalanche à photon unique (SPAD) a démontré une bonne sensibilité - au niveau du CMOS moderne, mais elle avait une faible vitesse, des dizaines de picosecondes entre les mesures.

Un nouveau travail scientifique décrit un appareil qui combine les avantages de toutes les caméras à pixel unique créées précédemment: il fonctionne à l'échelle picoseconde et démontre une sensibilité comme celle du SPAD. Les expériences ont montré que pour obtenir des images de haute qualité dans une telle échelle de temps de mesures, elles ont besoin de 50 fois moins de motifs de rétro-éclairage que dans les caméras traditionnelles à pixel unique. Autrement dit, vous pouvez former une image 50 fois plus rapidement.


Le principe de fonctionnement de la caméra ultra-rapide mono-pixel de l'échantillon de 2017: (a) rétro-éclairage avec modulation du front d'onde; (b) mesurer le temps d'arrivée des photons réfléchis par un capteur omnidirectionnel ultrarapide

Le principe de fonctionnement de la caméra est illustré dans l'illustration. Il faut comprendre que chaque point de l'objet photographié reflète un cône lumineux. En enregistrant les photons d'un cône, nous pouvons conclure sur la forme de l'objet entier et sur la distance à chaque point.


Enregistrement des photons du cône lumineux en différents points de l'espace (ci-dessus) et analyse du signal (ci-dessous)

L'appareil photo affiche une excellente qualité photo. Les exemples suivants comparent les exemples de photos (en haut) avec un appareil photo à pixel unique conventionnel avec 50 et 2500 motifs de rétroéclairage (deuxième rangée), ainsi qu'avec un appareil photo à pixel unique nouveau design (troisième et quatrième rangée). Les motifs de rétroéclairage sont sélectionnés à partir de la distribution aléatoire de Bernoulli dans {−1, 1}, comme dans l'expérience avec une caméra conventionnelle à pixel unique. Veuillez noter que seuls 50 modèles sont utilisés dans les échantillons du nouvel appareil photo.



Comme vous pouvez le voir, dans le nouveau développement, la qualité de prise de vue est beaucoup plus élevée, même avec une diminution spectaculaire des motifs de rétro-éclairage.

La conception décrite d'une caméra à pixel unique avec rétroéclairage actif est nettement supérieure aux caméras à pixel unique similaires pour un certain nombre de caractéristiques techniques. Cela permet d'espérer qu'à l'avenir de tels appareils photo bon marché sans pièces mobiles pourront trouver des applications pratiques dans les appareils électroménagers de tous les jours.

Les travaux scientifiques ont été publiés le 20 mars 2017 dans la revue IEEE Transactions on Computational Imaging (doi: 10.1109 / TCI.2017.2684624, pdf ).