Nuotrauka Ateitis

1826 m. vasaros dieną savo kaimo dvare, esančiame maždaug 340 kilometrų į pietryčius nuo Paryžiaus, Josephas Nicéphore'as Niépce'as pastatė savo kamerą obscura ir savo kiemo vaizdą suprojektavo ant alavo plokštės, padengtos šviesai jautria medžiaga. Aštuonias valandas objektyvas fokusavo saulės šviesą, chemiškai fiksuodamas vietas, kur šviesa trenkė į plokštelę, kad užfiksuotų balandžių namelio, kriaušės, tvarto stogo ir išplėsto jo namo sparno vaizdą. Už šį pasiekimą Niépce priskiriamas pirmosios pasaulyje fotografijos sukūrimui.

Alavas ir kitos kietos plokštės 1889 m. užleido vietą lankstiems plėvelės ritiniams; 3 dešimtmečio viduryje atsirado spalvota juosta. Dešimtojo dešimtmečio viduryje buvo pristatyti pirmieji masinės rinkos spalvoti skaitmeniniai fotoaparatai, fiksuojantys vaizdus su šviesos jutikliais mikroschemoje. Dėl šios pažangos atsirado pigesnių, mažesnių, nešiojamesnių fotoaparatų, galinčių sukurti ryškius vaizdus. Tačiau pagrindiniu lygmeniu fotoaparatai nebuvo reikšmingai pakeisti, sako Rameshas Raskaras, docentas ir kamerų kultūros grupės vadovas MIT Media Lab. Pats fizinis įrenginys per pastaruosius 100 metų beveik nepasikeitė, sako jis. Jūs turite panašų lęšį, panašią dėžutę, kuri imituoja žmogaus akį. Išskyrus tai, kad tai pigiau, greičiau ir patogiau, fotografavimas nepasikeitė tiek daug.

Ši istorija buvo mūsų 2009 m. gegužės mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Tačiau Raskaras tikisi, kad jis ir kiti MIT bei visame pasaulyje gali sukelti fotografijos revoliuciją. Srities, vadinamos kompiuterine fotografija, mokslininkai permąsto skaitmeninius fotoaparatus, kad galėtų geriau išnaudoti juose įmontuotų kompiuterių pranašumus. Jie įsivaizduoja dieną, kai kiekvienas gali naudoti fotoaparatą su mažu, pigiu objektyvu, kad padarytų tokias nuostabias nuotraukas, kokias šiandien gali padaryti tik profesionalūs fotografai, naudojantys aukščiausios klasės įrangą ir programinę įrangą, pvz., Adobe Photoshop. Tiesą sakant, jie mano, kad tokios kameros gali pranokti moderniausias šiuolaikines technologijas ir įveikti tai, kas atrodė kaip esminės ribos.

Kompiuterinė fotografija apima naujus optinių komponentų ir fotoaparato techninės įrangos dizainus bei naujus vaizdų analizės algoritmus. Raskaro teigimu, tikslas yra sukurti kameras, kurios galėtų įrašyti tai, ką mato akis, o ne tik tai, ką gali užfiksuoti objektyvas ir jutiklis. Jei esate amerikietiškuose kalneliuose, niekada negalite padaryti geros nuotraukos, sako jis. Jei valgote puikią vakarienę, niekada negalite fotografuoti, kad maistas atrodytų patrauklus. Tačiau naudojant skaičiavimo metodus, fotoaparatai gali pašalinti susiliejimą iš momentinės nuotraukos, padarytos nelygiame pasivažinėjime pramogų parke. Tokios kameros taip pat galėtų užfiksuoti subtilias maisto formas ir šešėlius bei žmonių šypsenas esant silpnam vakarienės žvakių šviesoje – be ilgo ekspozicijos laiko, dėl kurio visada susidaro neryškūs vaizdai, arba naudojant trikdančią blykstę.

Šoninė juosta: Kelionė iš laboratorijos į turgų

Be to, kompiuterinė fotografija gali padėti fotografams mėgėjams kurti nuotraukas, kurioms šiandien reikia specializuotų ir daug laiko reikalaujančių tolesnio apdorojimo metodų. Netgi mobiliųjų telefonų kameros, turinčios nebrangius fiksuotus objektyvus, gali suteikti mėgėjams tokią pat fokusavimo kontrolę, kokią turi profesionalai su aukščiausios klasės vieno objektyvo refleksiniu (SLR) fotoaparatu.

Visi fotoaparatai veikia tuo pačiu principu: šviesa patenka per fokusavimo objektyvą ir praeina per diafragmą. Tradiciniame fotoaparate šviesa patenka į fotoreaktyvias chemines medžiagas ant plėvelės ar plokštelių. Skaitmeniniame fotoaparate šviesa praeina per spalvas skiriančius filtrus ir patenka ant daugybės fotosensorių, kurių kiekvienas reiškia po vieną pikselį. Kai šviesa patenka į fotojutiklį, ji sukuria elektros srovę, kurios stiprumas atspindi šviesos intensyvumą. Srovė paverčiama skaitmenine 1s ir 0 s, kurį fotoaparato procesorius (kompiuterio lustas) konvertuoja į vaizdą, rodomą fotoaparato peržiūros ekrane ir saugomą „flash“ atminties kortelėje arba vidiniame standžiajame diske.

Kai vaizdai fiksuojami kaip skaitmeniniai informacijos fragmentai, juos galima patobulinti programine įranga, atveriant visiškai naują galimybių pasaulį. Pasak Raskaro, pastaruosius 15 metų mokslininkai stengėsi visapusiškai išnaudoti šias galimybes, ypač taikydami naujus vaizdo apdorojimo algoritmus, kurie pasiskolina iš tradiciškai skirtingų kompiuterinio matymo ir kompiuterinės grafikos sričių. Kompiuterinis matymas leidžia fotoaparatui analizuoti paveikslėlyje esančius objektus ir išskirti tokias savybes kaip stalo kraštas. O kompiuterinės grafikos metodai siūlo daugybę būdų manipuliuoti skaitmeniniu vaizdu. Kai šie metodai derinami fotoaparate, kurio optiniai komponentai sukurti atsižvelgiant į tokius algoritmus, galite padaryti keletą stebinančių dalykų. Pavyzdžiui, iš tikrųjų galite reguliuoti šviesos šaltinį nufotografavę, kad vienu kampu apšviestas objektas atrodytų apšviestas kitu. Ir netgi po to galite pakoreguoti nuotraukos fokusavimą.

Kovoja su judesio suliejimu

Vienas įtikinamiausių pavyzdžių, ką galima pasiekti naudojant kompiuterinę fotografiją, yra judesio kintamoji fotografija – protingas būdas pašalinti judančių objektų nuotraukų susiliejimą.

Blur yra procesas, kuris sumaišo informaciją, sako Frédo Durand, MIT elektrotechnikos ir kompiuterių mokslo docentas, padėjęs plėtoti šią idėją. Jis sako, kad skaitmeninio vaizdo pikseliai elgiasi kaip kvadratai šaškių lentoje. Sparčiai judantis juodos ir baltos šaškių lentos raštas išsilieja į pilką, juodos ir baltos spalvos kvadratų vidurkį. Bet jei tiksliai žinote, kaip šaškių lenta buvo perkelta – tarkime, sukant ją aplink tašką centre arba pakratant aukštyn ir žemyn – galite parašyti matematinę funkciją, apibūdinančią judesio suliejimą. Sužinoję šią funkciją, galite ją apversti, kad pašalintumėte suliejimą.

Durandas ir jo kolegos, įskaitant Anat Levin, doktorantūros studijas ir Billas Freemanas, MIT elektros inžinerijos ir kompiuterių mokslų profesorius, sukūrė fotoaparatą, kuris gali pasinaudoti šiuo principu, kad pašalintų neryškumą nuo keliaujančio objekto nuotraukos. tiesia linija, pavyzdžiui, keliu greitai lekiantis automobilis. Svarbiausia yra padaryti kažką priešingo, Durand sako: Mes kuriame daugiau susiliekite judindami fotoaparatą ekspozicijos metu.

Tyrėjų bandomoji kamera turi optinę sistemą, kuri juda pirmyn ir atgal tiesia linija, suliedama visą vaizdą. Dėl to, kaip jutiklis juda pirmyn ir atgal, ekspozicijos metu bus bent vienas momentas, kai fotoaparatas puikiai seka fotografuojamą objektą, todėl fotoaparatas gali užfiksuoti tikslią informaciją apie objekto vizualinę struktūrą, nepaisant jo greičio. Ši informacija leidžia tyrėjams parašyti lygtį, apibrėžiančią judesio neryškumą, o tada pašalinti greitį iš tos lygties. Apversdami lygtį, jie gali atkurti vaizdą be susiliejimo (žr. „Judesio suliejimo pašalinimas“, p. M14) .

Šiame fotoaparate, skirtingai nei įprastame modelyje, optikos užduotis nėra tiesiogiai suformuoti galutinį vaizdą, sako Durand. Vietoj to, tam tikra prasme tai yra sumaišyti šviesos spindulius, kad tai, ką įrašo jutiklis, suteiktų mums prieigą prie daugiau informacijos.

Tikslus fokusavimas

Vienas iš mobiliųjų telefonų ir kompaktinių fotoaparatų nepatogumų yra tai, kad jiems trūksta SLR fokusavimo valdymo. Naudojant SLR fotoaparatą, objektyvą galima perkelti, kad būtų galima pakeisti tai, kas yra sufokusuota. Reguliuodamas diafragmą fotografas gali gauti kadrą, kuriame priekiniame plane esantis objektas yra aiškiai sufokusuotas, o fonas yra tikslingai neryškus, kad būtų sumažintas dėmesį blaškantis elementas. Tačiau veidrodiniai fotoaparatai yra brangūs, o mėgėjams juos sunku naudoti. Kompiuterinės fotografijos tyrinėtojai bando sukurti paprastą, fiksuoto objektyvo mobiliojo telefono kamerą, kuri leistų bet kam lengvai pasiekti tokius efektus. Jie taip pat tikisi suteikti fotografams galimybę pasirinkti, kuriuos objektus jie nori sufokusuoti nufotografavus.

Kameros sukurtos taip, kad sufokusuotų objektus tam tikrame diapazone. Kai fotoaparatas yra sufokusuotas į tam tikrą objektą, objektyvas sutelkia šviesą, atsispindinčią nuo objekto, į jutiklio masyvą. Šviesa, atsispindinti nuo nesufokusuotų objektų, vis tiek pasiekia jutiklius, tačiau ji yra nekoncentruota, todėl vaizdas yra neryškus. Jei fotoaparatas nėra idealiai sufokusuotas, sako Durand, objektyvas rodys taškus iš scenos į jutiklį kaip diskus, o ne taškus.

Jei atstumai tarp fotoaparato ir objektų vaizde yra žinomi, tada vaizdo duomenims galima pritaikyti algoritmą, kad paryškintų nesufokusuotas nuotraukos dalis, paverčiant neryškius šviesos diskus sufokusuotais taškais. Tačiau įprastiniai fotoaparatai negali patys nustatyti šios gylio informacijos.

Norėdami iš nuotraukos išgauti informaciją apie gylį, Durandas, Freemanas ir kiti kolegos modifikavo esamą objektyvą su kauke, įdėta į diafragmą. Iš esmės kaukė yra kartono gabalas, kuris blokuoja dalį šviesos, kad subtiliai pakeistų nesufokusuotų vaizdo dalių išvaizdą. Durandas paaiškina, kad nediferencijuotas suliejimas, kurį sukelia įprastas nesufokusuotas objektyvas, nesuteikia pakankamai informacijos, kurią būtų galima panaudoti norint atkurti aiškų vaizdą. Tačiau jų kaukė pakeičia šį vienodą neryškumą į tai, ką jis vadina keista, bet struktūrizuota netvarka. Dryžiai ir kitos neįprastos neryškaus vaizdo ypatybės padeda tyrėjams susigrąžinti informaciją apie gylį: dėl to, kad kaukė blokuoja šviesą kameros diafragmoje, objektas, esantis 10 pėdų atstumu nuo fotoaparato, bus susiliejęs kitaip nei objektas, esantis penkių colių atstumu. Kadangi jie žino kaukės formą, tyrėjai sugebėjo matematiškai apibrėžti suliejimą, susijusį su kiekvienu gyliu, todėl jie galėjo sukurti algoritmą, galintį tai anuliuoti. (žr. įprastų ir koduotų angų nuotraukas ir informacijos apie gylį ištraukimas, p. M15) .

Kita fokusavimo gerinimo strategija, ypač naudojant paprastą mobiliojo telefono kamerą, yra panaši į Durand metodą, skirtą judesio neryškumui spręsti. Didelis SLR diafragmos dydis suteikia nedidelį lauko gylį (atstumų diapazonas nuo fotoaparato, kai objektai atrodo ryškiai sufokusuoti), todėl galima sufokusuoti konkretų objektą ir leisti fone, priekiniame plane ar net abu atsitraukti, – aiškina Raskaras. Tačiau nuotraukos, padarytos įprastomis mobiliųjų telefonų kameromis, kurių diafragmos yra labai mažos, atrodo plokščios, nes viskas atrodo taip, lyg būtų tokiu pat atstumu nuo fotoaparato. Pirmojoje IEEE tarptautinėje kompiuterinės fotografijos konferencijoje, vykusioje San Franciske balandžio mėn., postdoc Ankit Mohan pristatė pranešimą, kurį parašė kartu su Raskaru ir kitais, aprašydamas objektyvo su didesne diafragma imitavimo techniką. Jie pademonstravo, kaip fiksuoto objektyvo fotoaparatą galima suprojektuoti taip, kad ekspozicijos metu ir jo objektyvas, ir jutiklis šiek tiek judėtų. Keisdami judesio greitį ir diapazoną, jie iš esmės gali pakeisti židinio nuotolį ir diafragmos dydį, kad būtų galima valdyti, kuri nuotraukos dalis yra sufokusuota; visa kita tyčia suliejama (žr. Fokusavimo valdymas fiksuoto objektyvo fotoaparatams, p. M15) . Tokia technologija galėtų suteikti pigiam mobiliojo telefono fotoaparatui SLR fokusavimo valdymą.

Apšvietimo, perspektyvos reguliavimas

Patobulintas fokusavimas yra tik pradžia; Kompiuterinė fotografija taip pat gali padėti žmonėms reguliuoti scenos apšvietimą ar net pakeisti fotoaparato perspektyvą nufotografavus. Tai toks triukas, kurį leidžia kompiuterinis matymas. Tai sunku padaryti, jei jūsų kompiuteris supranta tik vaizdą pikselių lygiu, sako Freemanas. Bet jei galite suteikti kompiuteriui supratimą apie tą vaizdą aukštesnio lygio sąvokų, pvz., apšvietimo ar formos, požiūriu, galite leisti vartotojui reguliuoti tuos kiekius valdančius rankenėles.

Šis aukštesnio lygio supratimas gaunamas iš vaizdų analizės algoritmų, leidžiančių kompiuteriui matyti vaizdo komponentus. Pavyzdžiui, algoritmas gali nustatyti, kurie vaizdo komponentai atsiranda dėl objekto paviršiaus spalvos, o kurie – dėl šviesos, atsispindinčios nuo jo formos, moduliacijos. Kai tai sužinos, vartotojas gali savarankiškai reguliuoti paviršiaus spalvą ir apšvietimo efektus. Tikslas yra sukurti sistemą, kuri galėtų nustatyti, tarkime, kur baigiasi tamsaus pagrindinio šonkaulio gabalo kraštas ir prasideda šešėlis, kurį jis meta ant plokštelės.

Tokie metodai, pasak Raskaro, gali atskleisti detales, tokias kaip subtilios veido išraiškos, kurios anksčiau buvo užtemdytos šešėlių. Trumpai tariant, fotoaparatai galės atidžiau užfiksuoti scenos esmę. Kai eini gatve su draugu, gali būti bet kokio tipo apšvietime ir matai, koks gražus šis žmogus, sako jis. Šiuo metu nuotrauka to negali padaryti. Tačiau skaičiavimo metodai mažina atotrūkį, kuris vis dar skiria akis ir smegenis nuo fotoaparato. Po dešimties metų, anot jo, tai gali būti būtent tai, ką gali padaryti nuotrauka.

paslėpti