Журнал «Компьютерра» №45 от 01 декабря 2005 года, стр. 21
Как было сказано, на снимке получается массив кусочков изображения, каждый из которых формируется отдельной микролинзой. Для этого разработчикам пришлось решить немало технологических проблем. Одна из них состояла в том, что при изменении точки фокусировки объектива (а он, разумеется, остался прежним) изображения, формируемые микролинзами на полупроводниковой матрице, могут либо уменьшаться, либо, наоборот, наползать друг на друга. Чтобы этого не случилось, матрицу с линзами расположили в фокальной плоскости объектива, сдвинув CCD-сенсор назад, для чего пришлось перестроить весь «регистрирующий» узел фотокамеры («задник»), а объектив зафиксировать в положении «бесконечность».
После съемки очередного кадра в дело вступает процессор фотокамеры, который из массы микроизображений формирует единственное, суммируя по определенному правилу информацию, полученную сенсором от каждой микролинзы. То есть контроль над изображением фактически забирается у оптической системы и отдается программе. В результате картинка на матрице уже не является конечной, это как бы массив информации об исходном изображении, в котором координаты конкретной точки указывают, откуда и под каким углом пришел луч, а яркость точки - соответственно яркость луча. О цвете точки мы не говорим, так как CCD-матрица представляет собой массив триад, где каждый полупроводниковый детектор имеет фильтр своего цвета. То есть каждая линза - это одна точка будущей фотографии, а координаты реальных точек детектора под микролинзой означают угол, под которым луч падает на микролинзу. Таким образом, разработчики говорят о четырехмерности имеющегося массива информации, поскольку каждая точка имеет четыре параметра: координаты X и Y на матрице, яркость и координаты линзы. Притом надо понимать, что никакая точка снимка уже не хранит информацию о конкретной точке исходного изображения.
Можно сказать, что «внутри» одного такого изображения хранится как бы «стопка» фотографий с разрешением хоть и ниже исходного разрешения матрицы (теперь оно равно размеру матрицы микролинз[Разработчики замечают, что, жертвуя высокой резкостью итогового изображения, можно получать снимки и более высокого разрешения, как это делается в современных сканерах]), но каждое из которых сфокусировано по-своему. Пространство сцены как бы нарезано на вертикальные слои - подобно множеству изображений, полученных одновременно при разной настройке фокуса объектива и закодированных внутри снимка. Размер «стопки» пропорционален количеству засвеченных точек под каждой микролинзой. Однако это не значит, что каждая такая точка что-то значит сама по себе. Чтобы увидеть любую фотографию из «стопки», необходимо смотреть на записанное изображение через такую же оптическую систему с микролинзами, какая использовалась при начальной экспозиции. Настраивая фокус объектива «просмотрщика», мы сможем выбирать любую фотографию из «стопки». То есть каждая микролинза формирует только одну точку результирующего изображения на основе всех находящихся под ней точек (рис. 2).
«Фокус» же технологии в том, что цифровая камера может просто вычислить исходную фотографию, не прибегая ни к каким дополнительным объективам для просмотра. Для этого достаточно использовать математическую модель «просмотрщика», коей в нашем случае является обратное (нормированное по конкретной частоте) преобразование Фурье для пространственных частот[Появление тех или иных форм и фигур в изображении; чем меньше фигуры, тем выше их пространственная частота. Можно представить эту сущность в виде решетки, размер ячеек которой обратно пропорционален ее (решетки) пространственной частоте]. В использовании этого приема для выбора зоны фокусировки и состоит описываемое изобретение.
Задавая начальный параметр в виде нормирующей частоты (по сути дающей нам фокусное расстояние) и суммируя информацию со всех точек, можно получить фотографию, настроенную на резкость именно там, где нужно. Однако она будет иметь очень маленькую глубину резкости (ведь это только одна фотография из «стопки»). Поэтому, чтобы получить еще и заданную глубину резкости, необходимо просуммировать несколько вычисленных таким образом фотографий, имеющих близкие, но все же разные настройки резкости (рис. 3).
Особенно впечатляет, когда это делается для динамичных фотографий, вроде разбивающейся чашки или всплесков воды. Эта технология приносит и другие бонусы, один из которых давно используется в спектроскопии. Например, даже если с должной резкостью сфотографировать плохо освещенное изображение (положим, текст), то из-за шумовых помех разобрать его на снимке будет нельзя. Суммируя данные со всей матрицы, удается сильно поднять уровень полезного сигнала, пусть даже и ценой некоторой «расфокусировки».
Итак, цифровой становится не только пленка, но и оптика. Наверное, это можно даже назвать следующим этапом развития фотографии. Впрочем, теория «четырехмерных» снимков появилась давно. Еще в 1983 году японские ученые Ишихара и Танигаки предложили располагать микролинзу над каждым, как у них сказано, «фоточувствительным регионом». Тогда это делалось не ради повышения резкости фотографии, а для увеличения чувствительности при астросъемках. В 1992 году Е. Адельсон и Дж. Ван разработали камеру, действующую на этом принципе. По конструкции аппарат шестерки изобретателей практически повторяет камеру Адельсона и Вана (но та была пленочной, использовала вдвое больше линз и предназначалась для фотографического измерения расстояний) и по сути является очередным эволюционным шагом на долгом пути фототехнологий от аналога к цифре, где не только пленка заменяется ячеистым сенсором, но и изображение строится путем вычислений, недостижимых или трудно достижимых традиционным аналогово-оптическим методом.
Софтерра: По секрету всему свету
Перелистывание альбома с фотокарточками в кругу семьи постепенно отходит в область преданий. Богатые возможности цифрового фото позволяют запечатлеть любой момент нашей жизни. Цифровые снимки не желтеют со временем, для их размножения не нужны сверхусилия - достаточно лишь скопировать файл, а Интернет дарит нам удивительную возможность обмениваться фотографиями, не вставая с уютного офисного кресла.
Нет ничего проще, чем переслать снимок по электронной почте. Достаточно написать письмо и приложить к нему фотографию в виде прикрепленного файла. Впрочем, и здесь есть свои тонкости.
Положа руку на сердце, ответьте, неужели вы ни разу мысленно не проклинали адресата, получая письмо размером в несколько мегабайт, содержащее лишь не слишком качественную фотографию? Вдобавок ко всему вам, вероятно, приходилось под микроскопом рассматривать лицо друга, окруженное мегабайтами ненужной графической информации.
Нетрудно догадаться, что защита от неизбежных проклятий лежит в области кадрирования и масштабирования снимков. Подобные инструменты сейчас присутствуют не только в сложных графических редакторах, но и практически в каждом уважающем себя менеджере изображений. Для просмотра фотографии на экране обычно достаточно разрешения 1024x768. Будучи записанной в формате JPEG, такая картинка займет разумные 50-100 килобайт и не заставит ваших друзей ни долго ждать загрузки почты, ни платить за непрошеный трафик. Тем не менее увлекаться степенью сжатия JPEG не стоит - «перебор» приводит к появлению множества артефактов, лишь незначительно уменьшая размер файла.
На случай, если вы рискнете отправлять оригинальную «тяжелую» версию снимка, упомянем, что максимальный размер письма, передаваемого с помощью протокола POP3 (наиболее распространенный способ работы с электронной почтой), равняется 10 Мбайт, а приаттаченные файлы имеют свойство увеличиваться в размерах на четверть, а то и больше.