Конец «большой оптики» в фотографии: прогноз специалистов
26.02.2016, Андрей Дубинский




В середине прошлого века наблюдательная астрономия уперлась в невидимую стену. Чтобы заглянуть в потаенные уголки вселенной, требовались более крупные телескопы; но производство и обслуживание крупных стеклянных зеркал (наподобие 200-дюймового зеркала телескопа Хейла) стало непрактичным с финансовой и технической точки зрения. Проблему решили с помощью многозеркального телескопа. Основное отражающее зеркало было разбито на массив небольших зеркал, а для контроля формы и положения каждого элемента использовалась компьютерная система. 400-дюймовый телескоп Кека на Гавайях стал свидетельством успешности такого подхода.

Сейчас цифровая фотография стремительно приближается к такому же пределу. Быстрое развитие технологии цифровых датчиков стало опережать возможности обычной оптики.

Оптика камер не успевает за электроникой

Производители сенсоров делают пиксельные массивы с шагом пикселя в 1 микрометр. Если бы кто-то захотел перевести формат Super 35 в сенсор, используя такой пиксельный шаг, получился бы массив 24890 X 18660, или 500 мегапикселей. Пространственная разрешающая способность такого сенсора намного превысила бы 200 lp/mm. Для сравнения – у большинства объективов ARRI Prime, используемых в кинематографии, этот параметр не превышает 10 lp/mm.

Большая оптика дорого стоит

Приобретение профессиональных high-end объективов связано с очень высокими затратами. Например, модель Fujinon 14.5-45mm T2.0 Premier PL Zoom стоит 99 800 долларов, а Canon CINE-Servo 50-1000mm T5.0-8.9 (байонет PL) – 70 200 долларов.

Для сравнения, базовый модуль камеры ARRI ALEXA, ставшей золотым стандартом цифровой кинематографии, стоит около 45 000 долларов – почти в два раза меньше, чем вышеуказанная модель объектива Fujinon.

Большие объективы много весят


Вышеперечисленные модели объективов весят более 6 кг. Это не то оборудование, которое можно носить весь день в своем рюкзаке.

Технология многозеркального телескопа (ММТ)

Может быть, пришло время переосмыслить то, как мы делаем фотоснимки. Вместо того, чтобы пытаться выпускать все более крупные объективы с высоким пространственным разрешением, можно сделать массив небольших объективов и сенсоров, работающих вместе. У этого подхода есть очевидные преимущества.

Производители сенсоров предпочитают изготавливать сенсоры небольшого размера

Большая часть сенсоров производится сегодня для мобильных устройств и смартфонов - намного больше, чем для всех других приложений. В этих устройствах используются сенсоры размером в полдюйма и меньше. Объемы производства маленьких сенсоров значительно превышают объемы производства крупных сенсоров. При этом шансы сделать сенсор без дефектных пикселей намного выше для массива из малых сенсоров, чем для одного крупного сенсора.

Сенсоры становятся умнее

В самом начале развития цифровой фотографии (1990-2000) сенсоры изображений (CCDs и CMOS) представляли собой массив светодиодов, который просто передавал сигналы на внешнее электронное устройство обработки изображения. Теперь совсем не редкость, когда в сенсоры встроена функция обработки изображений. Результатом работы сенсоров стали не просто пиксели, а отфильтрованное по Баеру, отформатированное изображение после цветокоррекции. С учетом закона Мура стоит ожидать появления сенсорных массивов, которые будут обмениваться информацией во время съемки с целью оптимизации различных параметров: разрешения, точности цветопередачи или динамического диапазона.

Небольшие объективы становятся лучше

Когда началась интеграция камер со смартфонами и мобильными устройствами, использовались простые объективы с низким разрешением, изготовленные из дешевых пластиковых компонентов. По мере того, как улучшалось качество сенсоров, используемых в мобильных устройствах, и повышалась конкуренция между производителями объективов, росло качество самих объективов. Многие китайские производители (например, Evetar и Genius) выпускают сейчас объективы под S-байонет, способные состязаться в качестве с объективами зеркальных цифровых фотоаппаратов. Экнш-камеры GoPro Hero, самые популярные камеры в своем классе, ставшие рабочей лошадкой кино и телевидения, используют именно такие объективы.

Некоторые характерные примеры

Уже предпринимаются определенные шаги в направлении использования технологии нескольких объективов (нескольких сенсоров).

LIGHT

Стартап Light , расположенный в Силиконовой долине:

«Целью является установка комплекта маленьких объективов, каждый из которых связан с собственным сенсором, в смартфон и другие гаджеты. Когда вы делаете фотографию, сенсоры срабатывают одновременно, а программа автоматически объединяет изображения. Компания верит, что таким образом можно добиться качества, доступного цифровым зеркальным камерам, при использовании маленьких устройств».

AWARE

Проект AWARE, финансируемый Агентством передовых оборонных исследовательских проектов США, «сфокусирован на разработке и производстве микрокамер, которые будут использоваться при сборке суперкамер».

Первый прототип обеспечил съемку изображения размером в 1 гигапиксель. При этом использовались 98 оптических микроэлементов. Оптический дизайн этой системы – гибридная технология, использующая сочетание моноцентрического объектива с массивом одинаковых объективов вдоль фокальной поверхности основного объектива.

Вызовы и перспективы

Если сегментированный подход в производстве оптики для астрономии окажется успешным, будущее этой технологии станет многообещающим. Тем не менее, технические вызовы, с которыми столкнется этот подход, достаточно сложны и нетривиальны. Необходимо решить некоторые вопросы, прежде чем сегментированная оптика добьется успеха.

Качество изображения, полученное с нескольких объективов, зависит от того, как объективы подобраны друг к другу

Производителям 3D-камер хорошо знакома эта проблема. В процессе производства стеклянных и пластиковых оптических элементов, нанесения соответствующих фильтров и сборки объективов могут проявиться расхождения в характеристиках отдельных объективов. Разработчиками систем с несколькими объективами придется ужесточить контроль производства или разработать технологию обработки, исключающую появление таких расхождений.

Сегментированные камеры потребуют жестких оптико-механических допусков


Самая критическая задача при производстве таких камер – четкая согласованность совместной работы целой группы сенсоров и объективов. При шаге пикселя в 1 микрон механический допуск в 0,1 мм означает различие в 100 пикселей. Это можно компенсировать обработкой изображения, но лучший метод предотвращения таких проблем - улучшение оптико-механической конструкции.

Таким камерам потребуется массивная обработка изображения

Смешивание и сшивание многих изображений в одно целое используется с 1970-х годов, с момента запуска космических зондов. Однако, для производства одного изображения требовалось несколько часов (иногда дней). Для производства коммерчески успешного продукта эти операции должны занимать несколько секунд (или даже микросекунд). Неслучайно такие компании как Light чаще ищут специалистов в области разработки программного обеспечения и алгоритмов, чем инженеров-оптиков. Мы входим в эру «вычислительной фотографии», когда обработка изображения стала более важным процессом, чем сама съемка.

Если эти препятствия будут преодолены, мы переживем настоящий квантовый скачок в области технологии фотографирования. Это станет концом для «большой оптики» как инструмента в сфере создания изображений.



По материалам provideocoalition