Kamera single-pixel aktif-terakselerasi 50 kali

Sampel foto yang diambil dengan kamera satu-piksel baru dengan cahaya latar hanya untuk 50 templat dari distribusi Bernoulli acak (M = 50)

Dalam fotografi digital tradisional, biasanya menggunakan lensa yang menghasilkan fluks bercahaya dan mengarahkannya ke matriks elemen fotosensitif - sensor CCD atau CMOS dari kamera digital. Dipercaya bahwa semakin banyak elemen dalam matriks, semakin baik fotonya: 20 juta elemen lebih baik dari 13 juta. Ini adalah salah satu indikator utama kualitas fotografi, bersama dengan rasio aperture lensa dan kerapatan elemen itu sendiri (semakin rendah kerapatan, semakin besar ukuran fisik matriks, semakin sedikit distorsi dan gangguan yang diberikan elemen).

Tetapi bagaimana jika kamera tidak memiliki lensa sama sekali, dan matriks fotosensitif terdiri dari 1 (satu) piksel? Teknologi pemrosesan sinyal digital modern benar-benar memungkinkan Anda untuk dengan cepat mengumpulkan dan memproses fluks bercahaya dengan elemen fotosensitif tunggal. Dalam hal ini, kamera tidak membutuhkan lensa atau matriks besar. Artinya, peralatan kamera diganti dengan perhitungan komputer.

Fotografi single-pixel adalah bagian dari pendekatan baru yang disebut fotografi komputasi . Ini juga termasuk metode komputasi inovatif lainnya untuk memanipulasi fluks cahaya: menempelkan panorama, memperluas jangkauan dinamis karena beberapa eksposur dengan kecepatan rana yang berbeda, kamera lapangan cahaya, bahkan fotografi celah terkenal dapat dikaitkan dengan kategori ini.

Dalam fotografi komputasi, subjek mengalami pengukuran , yang kemudian didekodekan untuk menghasilkan gambar. Salah satu tugas mendasar adalah menyingkirkan lensa sama sekali, karena ini adalah bagian kamera yang paling mahal dan berat. Dengan prosesor yang cukup kuat, lensa tidak diperlukan.

Salah satu bidang fotografi komputasi yang paling menjanjikan adalah penginderaan kompresif. Ini adalah penggunaan teknik semacam itu yang memungkinkan untuk membangun kamera satu-piksel, pertama kali dijelaskan dalam literatur pada 2008 . Model kamera single-pixel asli adalah komputer optik, yang terdiri dari satu dioda fotosensitif, digital micro-mirror (DMD), dua lensa dan konverter analog-ke-digital.


Model asli kamera piksel tunggal di laboratorium (2008)

Meski desainnya primitif dengan satu fotodioda, kamera cukup bisa merekam objek yang sedang direkam. Dalam hal ini, mikromiror digital bertindak sebagai modulator cahaya spasial (PMS) - elemen yang diperlukan dari kamera piksel tunggal. Dalam peran PMS, mungkin ada perangkat lain yang memaksakan modulasi spasial tertentu pada berkas cahaya di bawah kendali komputer. Jadi sinyal dikodekan, dan setelah pendaftaran dan perekaman, itu diterjemahkan kembali dan membentuk gambar.


Rekonstruksi pengukuran yang dilakukan oleh fotodioda dalam bentuk gambar hitam-putih dan warna 256 × 256 piksel (foto kedua dan ketiga) dalam model 2008. Di gambar pertama - gambar asli

Kamera piksel tunggal membutuhkan ribuan pengukuran berurutan, di mana kecepatan adalah faktor utama. Semakin cepat pengukuran dilakukan, semakin baik (diinginkan bahwa objek tidak bergerak selama pengukuran).

Kemajuan teknologi tidak berhenti, dan sensor-sensor generasi terbaru mampu mendaftarkan sinyal lebih cepat daripada yang sebelumnya, yang membuka kemungkinan baru untuk membuat kamera satu-piksel dengan kualitas yang lebih baik. Sebuah edisi terbaru dari IEEE Transactions on Computational Imaging magazine pada 20 Maret 2017 menggambarkan kamera single-pixel modern dengan penerangan objek , yang bekerja pada skala waktu picoseconds.

Para penulis karya ilmiah dari Media Lab di Massachusetts Institute of Technology menjelaskan bahwa interval picosecond memungkinkan kita untuk membedakan masing-masing foton yang memasuki sensor dari berbagai titik objek dengan resolusi milimeter. Pada saat yang sama, sensor mendaftarkan lebih banyak informasi dari foton ini dari pada hanya fakta kedatangan (tidak seperti pixel biasa), jadi lebih sedikit masker yang diperlukan sebagai PMS.

Kamera pixel tunggal dengan interval picosecond atau kurang dibuat sebelumnya, tetapi mereka menderita sensitivitas rendah. Single Photon Avalanche Photodiode (SPAD) menunjukkan sensitivitas yang baik - pada tingkat CMOS modern, tetapi memiliki kecepatan rendah, puluhan picoseconds antara pengukuran.

Sebuah karya ilmiah baru menggambarkan sebuah perangkat yang menggabungkan keuntungan dari semua kamera satu-pixel yang dibuat sebelumnya: ia bekerja pada skala picosecond dan menunjukkan sensitivitas seperti SPAD. Eksperimen menunjukkan bahwa untuk mendapatkan gambar berkualitas tinggi dalam skala pengukuran waktu seperti itu, mereka membutuhkan pola cahaya latar 50 kali lebih sedikit daripada kamera piksel tunggal tradisional. Artinya, Anda dapat membentuk gambar 50 kali lebih cepat.


Prinsip pengoperasian kamera single-pixel ultrafast dari sampel 2017: (a) cahaya latar dengan modulasi muka gelombang; (B) mengukur waktu kedatangan foton yang dipantulkan oleh sensor ultrafast, omnidirectional

Prinsip pengoperasian kamera ditunjukkan dalam ilustrasi. Harus dipahami bahwa setiap titik dari objek yang difoto mencerminkan kerucut cahaya. Dengan mendaftarkan foton dari sebuah kerucut, kita dapat menyimpulkan tentang bentuk keseluruhan objek dan tentang jarak ke setiap titik.


Pendaftaran foton dari kerucut cahaya di berbagai titik di ruang (di atas) dan analisis sinyal (di bawah)

Kamera menunjukkan kualitas foto yang sangat baik. Sampel berikut membandingkan foto sampel (atas) dengan kamera piksel tunggal konvensional dengan pola lampu latar 50 dan 2500 (baris kedua), serta kamera piksel tunggal berdesain baru (baris ketiga dan keempat). Pola lampu latar dipilih dari distribusi Bernoulli acak di {−1, 1}, seperti dalam percobaan dengan kamera piksel tunggal konvensional. Harap dicatat bahwa hanya 50 pola yang digunakan dalam sampel dari kamera baru.



Seperti yang Anda lihat, dalam pengembangan baru, kualitas pemotretan jauh lebih tinggi bahkan dengan penurunan dramatis dalam pola cahaya latar.

Desain kamera piksel tunggal yang dijelaskan dengan lampu latar aktif secara signifikan lebih unggul daripada kamera piksel tunggal yang serupa dalam sejumlah karakteristik teknis. Hal ini memungkinkan untuk mengharapkan bahwa di masa depan kamera murah semacam itu tanpa bagian yang bergerak dapat menemukan aplikasi praktis dalam peralatan rumah tangga sehari-hari.

Karya ilmiah diterbitkan pada 20 Maret 2017 di jurnal IEEE Transactions on Computational Imaging (doi: 10.1109 / TCI.2017.2684624, pdf ).