Фотография десятилетиями жила с одним неизбежным ограничением: объектив может быть резким только в одной плоскости. Навели фокус на передний план — фон «поплыл». Захотели четкий задник — потеряли детали впереди. Да, можно прикрыть диафрагму и расширить глубину резкости, но за это приходится платить светосилой, шумами и другими потерями качества. А что, если этот выбор больше не нужен?
Инженеры из Колледжа инженерии Университета Карнеги — Меллона предлагают радикально иной подход — вычислительную линзу (computational lensing), способную делать резкими сразу несколько участков сцены на разных расстояниях. Иными словами, камера, в которой каждый участок изображения фокусируется «по-своему».
Почему обычные объективы не умеют «всё сразу»
Чтобы понять ценность новой идеи, стоит вспомнить базовый принцип фотографии. Классический объектив формирует резкое изображение только в одной фокальной плоскости. Всё, что ближе или дальше, постепенно размывается. Именно поэтому фотографы так внимательно относятся к дистанции до объекта и углу съемки.
Сужение диафрагмы действительно увеличивает глубину резкости, но одновременно снижает количество света и может ухудшать детализацию. Это физический компромисс, встроенный в саму оптику. До сих пор.
Как работает вычислительная линза
В основе новой технологии лежит концепция линзы Ломана (Lohmann lens) — оптической системы из двух изогнутых линз кубической формы, которые меняют фокус при смещении относительно друг друга. Исследователи пошли дальше и объединили эту идею с пространственным модулятором фазы света (phase-only spatial light modulator).
Проще говоря, система научилась изгибать свет по-разному в каждом пикселе изображения. Одни участки сцены фокусируются на ближних объектах, другие — на дальних. Получившаяся конструкция получила название Split-Lohmann lens. Любопытно, что вдохновением послужили более ранние исследования дисплеев для шлемов виртуальной реальности.
Один из авторов работы метко сравнил результат с ситуацией, когда «у каждого пикселя появляется собственный объектив».
Алгоритмы вместо механики
Оптика — лишь половина дела. Вторая половина — вычисления. Сначала система использует контрастный автофокус, чтобы разбить изображение на так называемые суперпиксели — группы пикселей, каждая из которых самостоятельно определяет глубину, при которой резкость максимальна.
Затем подключается фазовый автофокус (PDAF), знакомый по современным камерам со сдвоенными пикселями. Он определяет, что именно сейчас находится в фокусе и в какую сторону его нужно сдвинуть. Благодаря этому вычислительная линза способна работать не только со статичными сценами.
По данным университета, технология позволяет снимать движущиеся объекты со скоростью до 21 кадра в секунду, сохраняя идеальную резкость по всему кадру.
Зачем это нужно на практике
Самое очевидное применение — свободное управление глубиной резкости. Камера может либо сделать всю сцену идеально четкой, либо, наоборот, намеренно размыть отдельные зоны. Причем без наклонов оптики и сложных объективов — эффект tilt-shift достигается программно.
Но фотографией дело не ограничивается.
- Микроскопы смогут одновременно фокусироваться на нескольких слоях образца, ускоряя и упрощая анализ.
- Автоматизированные камеры — от промышленных систем до робототехники — выиграют за счет более стабильного и информативного изображения.
Фактически речь идет о новом уровне контроля над светом — не механическом, а вычислительном.
Вычислительная линза пока остается лабораторной разработкой, но сама идея звучит многообещающе. Если раньше физика заставляла фотографа выбирать, что будет резким, а что — нет, то теперь этот выбор может перейти к алгоритмам.
