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无镜头摄影的时代已经悄然来临

作者:老神仙时间:2016-11-18

即便对很多摄影爱好者而言,无镜头摄影也是一个十分稀罕的词吧。现代的相机无论是胶片还是数码,它们的成像系统都离不开一颗镜头。可以说,相机本身就是与镜头牢牢捆绑在一起的。你突然说存在有无镜头摄影,别人说不定以为你是疯子呢?

日立开发的无镜头相机

然而事实上,无镜头摄影确实是可以实现的,也已经有厂家实现了。日立在11月15日这天宣布,开发出了具备无镜头与后对焦特点的相机技术。顿时是不是有种不明觉厉的感觉了呢?要想解释无镜头摄影的原理,还是要先从为什么相机是有镜头的开始说起。

为什么相机是有镜头的?

不知有没有人试过,在不搭载镜头的情况下按下相机快门,会得到一张怎样的照片?答案是一张不含任何可读信息、奇怪的照片。

我用一台单反相机拍摄了两组照片,每组第一张均为带镜头拍摄,第二张为不带镜头、直接以传感器感光进行拍摄,每组的曝光保持一致。

怎么样,和许多人想象的不一样,这种照片根本无法辨识出任何物体,也是根本不能看的。

在现有的相机系统中,镜头其实起到一个光线汇聚的作用。我们都知道光线会向四面八方传播,只有将这些光线正确引导到图像传感器的位置上,才能获得清晰、可见的图像,这就是镜头的作用。如果不能正确引导或是汇聚的准确度不够,那么图像就会模糊。

而如果没有镜头这一光学系统的存在,光线随意射入传感器,当然会得到一幅完全摸不着头脑的照片。从实际效果来看,不带镜头所拍摄出来的照片就像是失焦了一样,但也会有很大的不同,主要在于根本无法辨认出物体的边缘。

你可以做个试验,将手放在台灯下方,此时桌面会照射出手的影子。你会发现随着手离桌面越来越远,影子的边缘部分也会越来越模糊,道理其实是相近的。最重要的是,镜头可以告诉图像传感器光线的正确位置。

那么对于无镜头摄影而言,只要反过来想就可以了。有什么东西能够替代镜头,来告诉传感器正确的光线位置呢?

用运算替代镜头

无镜头拍摄的原理和Lytro光场相机有很多相似的地方。光场相机之所以能够实现先拍摄、后对焦,就是因为它在图像传感器前方加上了微透镜阵列,以用来检测光的方向。那么对无镜头相机而言,也需要知晓光的方向来引出正确的图像。

日立并不是第一个做出无镜头相机的厂家,在去年年末美国哥伦比亚大学的视觉实验室就发表过一种造型奇怪的无镜头相机。

哥伦比亚大学视觉实验室研发的无镜头相机

这款相机当然是没有镜头的,与传感器相连的是一个玻璃球。这个玻璃球的作用并不是将光线投射到传感器上,而是让传感器移动、围绕着玻璃球表面进行集光。然后在后期处理中运用光栅和衍射的原理计算出光的方向,最后重组成人眼可识别的影像。

基于这一原理,仅使用一块500万像素的传感器,最终也能获得高达10亿像素的照片。研发这项技术的专家Shree K. Nayar将这一过程称为“光学编码、程序解码”,没有经过后期处理的照片,也就是传感器直接收集到的图像是根本辨识不出任何信息的。只有在运算过后,才能还原出我们通常意义上的照片。所以,这也被称之为是运算摄影。

传统相机成像系统

Rabmus的无镜头成像系统

另一家专门研究无镜头摄影的公司Rabmus,也制造出了一款分辨率只有400×400的无镜头相机。他们使用一块带有螺旋状条纹的微型光栅放在传感器前,同样使用软件处理在后期对图像进行复原,这款相机由于没有镜头,因此厚度仅1mm。

Rabmus无镜头成像的处理过程:原始影像、传感器捕捉到的数据、重组后的影像

日立此次则是研发出了日本国内第一个不使用镜头进行拍摄的相机,他们在官方新闻公告中做了更多的技术解释。日立的方案是在传感器前增加了一块带有同心圆图案的薄膜,当光线穿过后会在传感器上形成阴影。但是没关系,在后期处理时会在阴影上叠加相似的同心圆,此时会形成因光线入射角不同而产生的摩尔纹。利用这一摩尔纹进行傅立叶变换,就能得到简单且常见的图像了。

日立无镜头成像示意图

想要调整焦点也很简单,只要改变叠加在阴影上的同心圆尺寸,就能改变焦点的位置。如果你的理解能力足够好应该可以明白,无镜头相机的传感器拍摄到的其实并不是一张通常意义上的照片,而是光的集合,这一光的集合是无法用人眼来读取的。也正因为是光的集合,所以拥有十分大的调整空间,例如日立的后对焦功能。

日立无镜头相机技术展示

相比光场相机,日立的无镜头相机技术优势在于体积小以及不需要强大的运算能力。只要一块1平方厘米的传感器以及放置于1mm前的薄膜就可以了,以普通笔记本电脑的处理能力已经能获得30fps的影片。虽然在展示中,最后获得的图像四周十分暗,但已经能清晰辨认出水果的轮廓与色彩。

无限的商用价值

必须承认的是,“镜头+传感器”的拍摄系统十分成熟,在影像清晰度上不是无镜头相机目前可以比肩的。但是厂家开发无镜头相机的目的也不是为了替代现有相机,而是更注重商务领域的应用。例如在一些传统相机无法进入的设备内部,用于故障的检测,或是在物联网领域得到充分利用。毕竟无镜头相机不需要镜头,因此成本可以大幅降低。

日立信息通信创新中心负责人水野弘之透露,打算将现有的技术精度提高到能识别人脸的水平,未来有望搭载在机器人、汽车甚至手机上。