Czy fotografia żegna się z optyką?
Obecnie sprzętem numer jeden do fotografowania jest smartfon. W zminiaturyzowane urządzenia trudno jednak upchnąć lepsze, czyli większe soczewki.
A soczewek bez utraty jakości zminiaturyzować się nie da. Dlatego fotografia smartfonowa ma jedną podstawową wadę - zniekształcenia obrazu przy jego krawędziach. Można to określić jako przyrodzoną wadę aparatów w telefonach.
Problem ten próbuje się rozwiązywać za pomocą naprawiających rozmycia i zniekształcenia algorytmów cyfrowych. Powstaje jednak pytanie, po co w ogóle ta okrężna droga. Po co naprawiać niedoskonałości zminiaturyzowanej optyki, skoro od początku można oprzeć się na algorytmach, a o tradycyjnym szkle w ogóle zapomnieć...
W znanym od kilku lat nowatorskim aparacie Lytro w ogóle nie trzeba się tym martwić, gdyż "zdejmuje" on ostry obraz na wszystkich widzianych w obiektywie planach. Dopiero w obróbce komputerowej decydujemy, które przedmioty będą ostre. Przed matrycą znajduje się w nim soczewka plenoptyczna, składająca się z kilkuset tysięcy mikrosoczewek. Każda taka mikrosoczewka obejmuje fragment matrycy światłoczułej. Na matrycy zostają więc zarejestrowane nie pojedyncze piksele, ale setki miniobrazków będących wycinkami całej fotografii. Dzięki temu matryca światłoczuła rejestruje znacznie więcej informacji, które można wykorzystać do przetwarzania fotografii (np. zmiany głębi ostrości) już po jej wykonaniu.
Podobnie do Lytro działa kolejna odchodząca od tradycyjnego, pojedynczego obiektywu technika - PiCam. Zaprojektowano ją do smartfonów, a zastępuje pojedyncze soczewki panelem z szesnastoma małymi szkłami. Obraz przedostaje się przez każde z nich pod nieco innym kątem, trafiając następnie na światłoczułą matrycę, skąd dane o wielu wygenerowanych obrazach trafiają do procesora, składającego je w jeden obraz o znacznie powiększonej głębi.
Obraz bez optyki prawdziwszy?
Opisane powyżej koncepty to jednak wciąż soczewkowe aparaty, choć myślenie o optyce zostało w nich znacząco "zdekonstruowane". A gdyby zbudować maszynę do fotografowania bez optyki w ogóle? Tak działa system Rambus, który zamiast soczewki ma tylko spiralną aperturę. Obraz na matrycy przybiera postać wzorów podobnych do płatków śniegu, które razem tworzą rozmyte odbicie obiektu, przetwarzane potem w celu odwzorowania tego, co "postrzega" kamera. W efekcie powstaje coś, co mocno odbiega od tego, co widzimy i co tradycyjna fotografia zdejmuje, ale z drugiej strony, nie chodzi o wierne obrazowanie, tylko o zabawę obrazem. Patrick Gill, współautor projektu Rambus, przekonuje, że to optyka w aparacie zniekształca i zmienia obraz, a jego technologia pokazuje właśnie to, co rzeczywiście widzi kamera - i my właśnie ten maszynowy obraz możemy zobaczyć.
Kolejne proponowane rozwiązanie, FlatCam, to wprawdzie kamera, ale jeśli ktoś spojrzy na nią, nie wiedząc, na co patrzy, to raczej jej tak nie nazwie. Przypomina bowiem zwykłego płaskiego chipa. Richard Baraniuk i Ashok Veeraraghavan z Uniwersytetu Rice w Stanach Zjednoczonych opisali swój bezsoczewkowy wynalazek kilka lat temu w naukowym serwisie internetowym ArXiv.
Zasada działania kamery bez soczewek nie różni się od uprawianej przez hobbystów tzw. fotografii otworkowej, która pojawiła się u zarania fotografii, była całkowicie pozbawiona soczewek, a światło padało na materiał światłoczuły przez zwykłą dziurkę w pudełku. Ta nieoptyczna fotografia wciąż jest uprawiana przez niektórych zapaleńców. Są nawet firmy takie jak Zero Optik, produkujące nowoczesne obiektywy otworkowe, czyli bez soczewek, którymi można kręcić również filmy.
Zamiast jednak jednego otworu wpuszczającego światło na światłoczuły materiał, matryca FlatCam pokryta jest "maską" - rodzajem siatki z wieloma drobnymi otworkami. Przez każdy z nich pada na matrycę odrobinę inny niż przez pozostałe zestaw danych. Dane te są następnie przetwarzane przez procesor. W połączeniu tworzą obraz, który w zależności od ustawień i wymagań będzie wykazywać różne głębie ostrości. Rozwiązanie specjalistów z Uniwersytetu Rice może trafić do niewielkich aparatów, montowanych w smartfonach, w których stosowanie optyki napotyka na fundamentalne ograniczenia.
Nad podobnymi matrycami światłoczułymi, miniaturowymi i pozbawionymi całkowicie elementów optycznych pracuje również Ali Hajimiri z Caltechu. Prototyp urządzenia, które ma zastąpić soczewki, składa się z matrycy miniaturowych "anten optycznych" (o rozmiarach ok. 2 mikronów), przekazujących impulsy światła do falowodu. Zbudowana przez niego matryca składa się z 64 takich antenek reagujących na światło. Urządzenie nazwane optical phased-array receiver (OPA) wykorzystuje również fotodiody sterujące światłem docierającym do matrycy. Prototyp skonstruowany przez Hajimiriego ma niewielką rozdzielczość. Jak ocenia sam wynalazca, aby uzyskiwać obrazy porównywalne z najlepszymi aparatami w smartfonach, trzeba zbudować matrycę z miliona mikronowych anten.
Z kolei zespołowi pod wodzą Gang Huanga z Bell Labs udało się wykorzystać do rejestracji obrazu technikę określaną jako compressive sensing. W praktyce oznacza to, że zdjęcia zapisywane są za pomocą matrycy składającej się z jednego piksela zdolnego do rejestracji trzech podstawowych kolorów. Jako przesłony lub raczej systemu małych przesłon używa się tu panelu LCD. Nie ma oczywiście żadnych soczewek. Obraz powstaje wskutek przejścia światła odbitego od przedmiotu przez różne (w przypadkowy sposób) mikroprzesłony panelu LCD. Pojedynczy piksel matrycy odbiera więc wiele sygnałów, zaś uzyskany finalnie obraz jest wynikiem ich analizy przez algorytmy.
Zaletą potencjalnego aparatu wykorzystującego tę technikę są znacznie mniejsze rozmiary, co stanowi typowy efekt wyeliminowania szkieł. Wadą jest czas trwania operacji tworzenia obrazu, gdyż zbieranie pikseli z mikroprzesłon, a potem ich cyfrowa analiza, nie dzieją się natychmiastowo.
Głównym impulsem do poszukiwań technik odchodzących od szkieł - oprócz twierdzeń, że "optyka przekłamuje obraz" - jest chęć dalszej miniaturyzacji aparatów fotograficznych, nie tylko zresztą z myślą o smartfonach. Istnieje mnóstwo potencjalnych zastosowań takich rozwiązań w Internecie Rzeczy - np. w monitoringu środowiska naturalnego, czyli w sieciach czujników i sensorów, w których przydałoby się zmniejszenie rozmiaru i obniżenie ceny urządzeń rejestrujących obraz.
Osoby przyzwyczajone do tradycyjnie rozumianej fotografii, opartej na najwyższej jakości soczewkach, nie powinny się więc obruszać i śmiać z mało imponujących jeszcze efektów eksperymentów z fotografią bez optyki. Potrzeby współczesnej cywilizacji technicznej są różne, a oparta na obiektywach fotografia zapewne nigdy nie zniknie. Tak jak np. nie zniknęło malarstwo - choć fotografia, gdy się zjawiła i upowszechniła, wyparła je z wielu zastosowań.
