Bell Labs opfinder objektivløst kamera

Den traditionelle billeddannelsesmetode, som er mindst 150 år gammel, er afhængig af en linse til at skabe et billede og en enhed til optagelse af fotoner, såsom en række pixels, en lysfølsom film eller endda en nethinde.

Men en dramatisk revolution, der i øjeblikket tager billedverdenen med storm, betyder, at dette snart kan ændre sig.

Denne revolution er baseret på en teknik kaldet compressive sensing, som er baseret på ideen om, at mange almindelige målinger har enorm redundans. Det betyder, at det er muligt at opnå de samme data med kun en brøkdel af nøje udvalgte målinger.

Tricket er selvfølgelig at vide, hvilke mål man skal tage, og hvordan man samler dem igen. Forskellige hold har begejstret eksperimenteret med denne idé. Tilbage i januar så vi for eksempel på en gruppe, der har lavet 3D-billeder ved hjælp af en enkelt pixel på denne måde.

I dag tager denne revolution fart, fordi Gang Huang og venner fra Bell Labs i New Jersey siger, at de har brugt kompressionssensor til at bygge et kamera, der ikke behøver nogen linse og kun bruger en enkelt sensorpixel til at tage billeder. Desuden er billederne fra dette kamera aldrig ude af fokus.

Den nye enhed er enkel af natur. Arkitekturen består af to komponenter, en blændesamling og en sensor. Der bruges ingen linse, siger Huang og co. Den består af et LCD-panel, der fungerer som en række åbninger, der hver tillader lys at passere igennem, og en enkelt sensor, der er i stand til at registrere lys i tre farver.

Hver blænde i LCD-arrayet kan adresseres individuelt og kan derfor være åben for at tillade lys at passere igennem eller lukke. Et vigtigt aspekt af denne form for billeddannelse er, at rækken af ​​åbne og lukkede åbninger skal være tilfældige.

Processen med at skabe et billede er ligetil. Det begynder med, at sensoren optager lyset fra scenen, der er passeret gennem en tilfældig række af blænder i LCD-panelet. Den optager derefter lyset fra et andet tilfældigt array og derefter et andet og så videre.

Selvom det tilsyneladende er tilfældigt, er hvert af disse snapshots korreleret, fordi de optager den samme scene på en anden måde. Og dette er nøglen, som teamet bruger til at samle et billede igen. Processen med komprimerende sensing analyserer dataene og leder efter denne korrelation, som den derefter bruger til at genskabe billedet.

Det er klart, at jo flere snapshots der tages, jo bedre bliver billedet. Men det er muligt at skabe et ret godt billede ved at bruge kun en lille brøkdel af de data, som et konventionelt billede ville kræve.

For eksempel tog Bell Labs-teamet billedet af bøgerne (ovenfor) ved at bruge kun en fjerdedel af de data, de kunne have registreret.

Faktisk, jo færre detaljer der er i scenen, jo mindre data kræves der for at rekonstruere den.

Dette revolutionerende objektivløse kamera har en række fordele i forhold til et konventionelt kamera. For det første er den lille mængde data, der kræves for at skabe billeder. Uden en linse lider disse billeder ikke af nogen af ​​de aberrationer og fokuseringsproblemer, der er forbundet med linser. Scenen er helt i fokus, og billedets opløsning afhænger af størrelsen og antallet af blænder og lyssensorens punktlignende karakter.

Ved at bruge to sensorer bag samme blændearray er det muligt at skabe to forskellige billeder af scenen på samme tid. Faktisk producerer flere sensorer flere billeder.

Hvad mere er, enheden er enkel og billig. Huang og venner byggede deres prototype ved hjælp af billige hyldekomponenter, som alle ville have adgang til.

Det bedste af det hele er, at den samme tilgang virker for andre bølgelængder af lys, såsom infrarøde og millimeterbølger. Så det burde også være muligt at lave relativt billige kameraer til disse bølgelængder.

Ulempen, i hvert fald for øjeblikket, er, at det tager tid at indhente data for hvert billede. Så kameraet laver kun billeder af stillbilleder.

Men selv det er nyttigt til overvågning, da det er muligt at sammenligne på hinanden følgende billeder af den samme scene for at bestemme ting, der har ændret sig, eller for at beregne hastigheden af ​​bevægelige objekter.

Det er et imponerende stykke arbejde, som sandsynligvis vil få vidtrækkende konsekvenser for den måde, vi optager verden omkring os på. Forvent at høre meget mere om compressive imaging, eller spøgelsesbilleder, som det nogle gange kaldes, i den nærmeste fremtid.

Det er også interessant at se Bell Labs slå sine stropper igen. Dette er en organisation med en ærværdig historie, men en tumultarisk fortid. Med fremskridt som dette er der altid en chance for, at den kan genvinde noget af sin tidligere herlighed.

Ref: arxiv.org/abs/1305.7181 : Linseløs billeddannelse ved kompressionssensor

skjule