「逆光拍摄更清晰」只能算入门,未来的相机其实长这样

摘要

透过雾,翻过墙,未来的相机可以把人的里里外外「拍」个遍。

本文编译自 thenextweb ,极客公园有加工整理,原文链接为:The next camera revolution could let us see through walls and deep inside the brain

「逆光拍摄也清晰」、「超高分辨率」、「FaceID 准确识别人脸」,或者「对着摄像头可制作 Animoji 动画」?你可能对智能手机宣传的这些相机技术感到非常满意,但其实这些技术对于相机领域正在发生的革命而言,只是一道小小的开胃菜。

最新的拍摄技术研究正在从增加像素数量向相机数据计算、处理、融合方向进步。这种进步不是简单的将 Photoshop 效果和滤镜添加到图片中,而是以一种更为激进的办法——通过复杂数学运算,模拟光线在摄像机中的传播方式,让相机呈现出更具魔力的图片。

虽然听起来非常奇怪,但这些的新技术将使我们摆脱传统成像技术的束缚。未来,我们可以用照相机拍到一个更加真实的世界,比如透过雾,「翻」过墙,把一个人的里里外外拍的更清楚。在正在发生的相机革命当中,我们发现单像素相机和多传感器成像相机很可能是未来照相机演进的主要方向:

单像素相机

现在大多数照相机都会使用大量像素(微小的传感器元件)来捕捉由单个光源照亮的场景。但其实也可以不这样,比如我们可以用单个像素来捕获许多光源的信息。单像素相机的原理就是如此。

要做到单像素捕捉多光源信息,首先需要一个可控的光源,例如一个简单的数字投影仪——它可以在一定时间内提供一个强光源形成的场景;接下来,用单像素相机对准拍摄物体,测量每个光源点或图案所反射的光线;最后,拍摄完成后,再利用算法将所有内容进行整合,创建出最终的图像。

很明显,这种单像素相机拍摄照片有个缺点——拍摄对象必须有大量的光源点。这对普通人用处不大,但在科学研究中用处颇大。比如,这种单像素相机可以在超过可见光谱的光波段工作,只要被拍摄对象拥有足够多的光源点,透过雾、大雪甚至是像鸡胸肉这样的固体,都可以拍到高清晰度的照片。

(往灯牌上贴一块鸡胸肉,单像素相机仍能较清晰地还原灯牌图像)

除此之外,单像素相机还可以模仿一些动物的眼睛,自动增加图像的分辨率(相机捕捉的细节数量)。

科学研究发现脊椎动物眼中的视网膜具有较低分辨率区域(周边视觉)所包围的高视敏度区(中央凹)。在借鉴动物视网膜构造后,研究人员开发的单像素相机可以快速记录单帧中的变化或重要特征的细节,并能同时在几个连续帧中构建缓慢变化区域的细节。最终通过合成,这种分层拍摄的照片,能够重建具有空间变化分辨率和空间变化的高精度图像。

((F)与(C)中所示相同的场景的图像,(F)为模拟动物视网膜单光子成像,(C)为传统单光子成像。数据显示,在(F)的中心区域,线性分辨率是均匀图像(C)的两倍。)

多传感器成像相机

除了单像素成像相机,将多个传感器组合成一台相机的多传感器相机也正在受到重视。相较于限制颇多的单像素相机,多传感器相机离消费端更近。哈勃望远镜称得上多像素传感器成像方面的开创性用法,它生成的图像就是由不同波长拍摄的图像组合而成。

事实上,随着技术的进步,多传感器成像相机的体积原来越小,功能也越来越齐全。现在的多传感器成像相机可以在拍照时,收集不同传感器上的光强度和方向的信息。拍摄完成后,图像的焦点、视角等都能被调整。

比如,视觉成像公司 Lytro 生产的 Lytro Cinema 相机就可以捕捉场景中的所有光线,提供丰富的光场数据。其中,Lytro Cinema 相机拍摄的每个像素都有颜色属性、方向属性,以方便拍照者了解图片在空间中的确切位置。拍摄完成后,还可以通过相机决策来进行反「传统物理」般的后期处理,比如使用者可以在后期制作中对对焦点、视角、光圈等要素进行调整。

(通过 Lytro Cinema 相机可以对背景进行任意调动,且看不出任何后期痕迹)

除了单像素相机和多传感器相机外,其实漫反射光成像、单光子成像等技术也正在成熟。使用这些技术的相机可以在极低光照水平下拍摄照片,或是以每秒兆亿帧的速度拍摄视频,利用这些技术甚至可以捕获到光穿过空间的图像。

(利用漫反射光成像技术,即使人躲在墙后,照相机也可以「拍」到人)

(利用单光子成像技术,照相机可以「拍」到激光)

当然,上述这些相机或是技术仅仅是迈向新一代相机的第一步,这些技术要进入消费端被普通人使用还需要一定时间。但最起码,我们得知道,通过巧妙地运用新技术,我们的「拍照」能力已经可以取得如魔法般的效果。

责任编辑:双筒猎枪

头图来源:thenextweb

图片来源:《自然》、Lytro

最新文章

极客公园

用极客视角,追踪你最不可错过的科技圈。

极客之选

新鲜、有趣的硬件产品,第一时间为你呈现。

顶楼

关注前沿科技,发表最具科技的商业洞见。