Una cámara de campo de luz , también conocida como cámara plenóptica , es una cámara que captura información sobre el campo de luz que emana de una escena; es decir, la intensidad de la luz en una escena y también la dirección en la que viajan los rayos de luz en el espacio. Esto contrasta con las cámaras convencionales, que registran solo la intensidad de la luz.
Un tipo de cámara de campo de luz utiliza una serie de microlentes colocadas frente a un sensor de imagen convencional para detectar la intensidad, el color y la información direccional. Las matrices multicámara son otro tipo de cámara de campo de luz. Los hologramas son un tipo de imagen de campo de luz basada en película.
Historia
Investigaciones tempranas
La primera cámara de campo de luz fue propuesta por Gabriel Lippmann en 1908. Él llamó a su concepto " fotografía integral ". Los resultados experimentales de Lippmann incluyeron fotografías integrales crudas realizadas mediante el uso de una lámina de plástico en relieve con una serie regular de microlentes, o mediante la incrustación parcial de perlas de vidrio muy pequeñas, empaquetadas estrechamente en un patrón aleatorio, en la superficie de la emulsión fotográfica .
En 1992, Adelson y Wang propusieron el diseño de una cámara plenóptica que se puede utilizar para reducir significativamente el problema de correspondencia en el emparejamiento estéreo. [1] Para lograr esto, se coloca una serie de microlentes en el plano focal de la lente principal de la cámara. El sensor de imagen se coloca ligeramente detrás de las microlentes. Usando tales imágenes, se puede analizar el desplazamiento de las partes de la imagen que no están enfocadas y se puede extraer información de profundidad.
Cámara plenóptica estándar
La "cámara plenóptica estándar" es un modelo matemático estandarizado utilizado por los investigadores para comparar diferentes tipos de cámaras plenópticas (o de campo de luz). Por definición, la "cámara plenóptica estándar" tiene microlentes colocadas a una distancia focal del plano de imagen de un sensor. [2] [3] [4] La investigación ha demostrado que su línea de base máxima se limita al tamaño de la pupila de entrada de la lente principal, que resulta ser pequeño en comparación con las configuraciones estereoscópicas. [1] [5] Esto implica que la "cámara plenóptica estándar" puede estar diseñada para aplicaciones de corto alcance, ya que exhibe una mayor resolución de profundidad a distancias muy cercanas que pueden predecirse métricamente en función de los parámetros de la cámara. [6]
En 2004, un equipo del Laboratorio de Gráficos por Computadora de la Universidad de Stanford usó una cámara de 16 megapíxeles con una matriz de 90,000 microlentes (lo que significa que cada microlente cubre alrededor de 175 píxeles y la resolución final es de 90 kilopíxeles) para demostrar que las imágenes se pueden reenfocar después de que están tomados. [2]
Cámara plenóptica enfocada
Lumsdaine y Georgiev describieron el diseño de un tipo de cámara plenóptica en la que la matriz de microlentes se puede colocar antes o detrás del plano focal de la lente principal. Esta modificación muestrea el campo de luz de una manera que cambia la resolución angular por una resolución espacial más alta . Con este diseño, las imágenes se pueden enfocar posteriormente con una resolución espacial mucho mayor que con las imágenes de la cámara plenóptica estándar. Sin embargo, la resolución angular más baja puede introducir algunos artefactos de alias no deseados.
Cámara de apertura codificada
Los investigadores de MERL en 2007 propusieron un tipo de cámara plenóptica que utiliza una máscara de película impresa de bajo costo en lugar de una matriz de microlentes. [7] Este diseño supera varias limitaciones de las matrices de microlentes en términos de aberraciones cromáticas y pérdida de píxeles de límite, y permite capturar fotografías de mayor resolución espacial. Sin embargo, el diseño basado en máscara reduce la cantidad de luz que llega al sensor de imagen en comparación con las cámaras basadas en matrices de microlentes.
Diseño
La fotografía de campo de luz (también conocida como fotografía plenóptica) captura información sobre la intensidad de la luz en una escena y también captura información sobre la dirección en la que los rayos de luz viajan en el espacio. El sensor de campo de luz de Lytro utiliza una serie de microlentes colocadas frente a un sensor de imagen convencional; para detectar la intensidad, el color y la información direccional. [8] El software utiliza estos datos para crear imágenes en 2D o 3D que se pueden visualizar. [9] Lytro intercambia la resolución 2D máxima, a una distancia determinada, por una resolución mejorada a otras distancias. Los usuarios pueden convertir la imagen patentada de la cámara Lytro en un archivo de imagen 2D normal, a cualquier distancia focal deseada. La resolución máxima de Illum 2D es 2450 × 1634 (4,0 megapíxeles). La resolución del campo de luz 3D es de 40 "megarays". [10] La cámara de primera generación tiene una resolución 2D máxima de 1080 × 1080 píxeles (aproximadamente 1,2 megapíxeles ), [11]
Características
Las características de una cámara de campo de luz incluyen:
- Profundidad de campo variable y "reenfoque": la función "Difusión de enfoque" de Lytro permite ampliar la profundidad de campo (profundidad de enfoque) de una representación bidimensional de una imagen de Lytro después de tomar una fotografía. [12] En lugar de tener que establecer el enfoque a una distancia particular, "Focus Spread" permite enfocar más una imagen 2D. En algunos casos, este puede ser el campo de imagen 2D completo. Los usuarios también pueden "reenfocar" imágenes 2D a distancias particulares para efectos artísticos. El Illum permite seleccionar el rango de "capacidad de reenfoque" y de "enfoque extensible" utilizando el enfoque óptico y los anillos de zoom del objetivo. El Illum también cuenta con "horquillado de enfoque" para ampliar el rango de reenfoque al capturar 3 o 5 imágenes consecutivas a diferentes profundidades. [13]
- Velocidad : debido a que hay menos necesidad de enfocar la lente antes de tomar una fotografía, una cámara de campo de luz puede capturar imágenes más rápidamente que las cámaras digitales convencionales de apuntar y disparar. [14] Esta es una ventaja en la fotografía deportiva, por ejemplo, donde se pierden muchas imágenes porque el sistema de enfoque automático de la cámara no puede mantenerse apuntando con precisión a un sujeto que se mueve rápidamente.
- Sensibilidad con poca luz: la capacidad de ajustar el enfoque en el posprocesamiento permite el uso de aperturas más grandes que las que son factibles en las cámaras convencionales, lo que permite la fotografía en entornos con poca luz. [14] [15]
- Imágenes 3D : dado que una cámara plenóptica registra información de profundidad, se pueden construir imágenes estéreo en software a partir de una sola captura de imagen plenóptica. [16] [17]
Fabricantes
Productos de consumo
Lytro fue fundada por el ex alumno del Laboratorio de Gráficos por Computadora de la Universidad de Stanford, Ren Ng, para comercializar la cámara de campo de luz que desarrolló allí como estudiante de posgrado. Lytro ha desarrollado cámaras digitales de campo de luz para consumidores capaces de capturar imágenes utilizando una técnica plenóptica. [18] Después de que Lytro cesó sus operaciones en marzo de 2018, existen pocas opciones para comprar cámaras de campo ligero.
Raytrix ha vendido varios modelos de cámaras plenópticas para aplicaciones industriales y científicas desde 2010, con un campo de visión a partir de 1 megapíxel. [19] [20]
d'Optron y Rebellion Photonics venden varias cámaras plenópticas, especializadas en microscopía y detección de fugas de gas, respectivamente.
Otras cámaras
Pelican Imaging tiene sistemas de arreglo de múltiples cámaras delgados destinados a la electrónica de consumo. Los sistemas de Pelican utilizan de 4 a 16 microcámaras estrechamente espaciadas en lugar de un sensor de imagen de matriz de microlentes. [21] Nokia ha invertido en Pelican Imaging para producir un sistema de cámara plenóptica con una cámara de matriz de 16 lentes que se implementará en los teléfonos inteligentes Nokia en 2014. [22] Más recientemente, Pelican ha pasado a diseñar cámaras suplementarias que agregan capacidades de detección de profundidad. a la cámara principal de un dispositivo, en lugar de cámaras de matriz independientes. [23]
La cámara de campo de luz de Adobe es un prototipo de cámara de 100 megapíxeles que toma una foto tridimensional de la escena enfocada utilizando 19 lentes de configuración única. Cada lente tomará una foto de 5.2 megapíxeles de toda la escena alrededor de la cámara y cada imagen se puede enfocar más tarde de cualquier manera. [24]
La cámara CAFADIS es una cámara plenóptica desarrollada por la Universidad de La Laguna (España). [25] CAFADIS significa cámara de distancia de fase, ya que se puede utilizar para la estimación de la distancia y del frente de onda óptico . A partir de una sola toma, puede producir varias imágenes reenfocadas a diferentes distancias, mapas de profundidad, imágenes todo enfocadas y pares estéreo. Un diseño óptico similar también se puede utilizar en óptica adaptativa en astrofísica , con el fin de corregir las aberraciones causadas por la turbulencia atmosférica en las imágenes de telescopios . Para realizar estas tareas, diferentes algoritmos , que se ejecutan en GPU y FPGA , operan sobre la imagen sin procesar capturada por la cámara.
La cámara de campo de luz de Mitsubishi Electric Research Laboratories (MERL) [7] se basa en el principio de heterodino óptico y utiliza una película impresa (máscara) colocada cerca del sensor. Cualquier cámara de mano se puede convertir en una cámara de campo de luz usando esta tecnología simplemente insertando una película de bajo costo en la parte superior del sensor. [26] Un diseño basado en máscaras evita el problema de la pérdida de resolución, ya que se puede generar una foto de alta resolución para las partes enfocadas de la escena.
Versiones amateur
La modificación de las cámaras digitales estándar requiere poco más que la capacidad de producir láminas adecuadas de material de microlentes, por lo que varios aficionados han podido producir cámaras cuyas imágenes pueden procesarse para proporcionar información de dirección o profundidad de campo selectiva. [27]
Usos
En un estudio publicado en 2017, los investigadores observaron que la incorporación de imágenes fotografiadas con campo de luz en un módulo de anatomía en línea no dio como resultado mejores resultados de aprendizaje en comparación con un módulo idéntico con fotografías tradicionales de cadáveres disecados. [28]
Las cámaras plenopticas son buenas para obtener imágenes de objetos que se mueven rápidamente donde el enfoque automático puede no funcionar bien, y para imágenes de objetos donde el enfoque automático no es asequible o utilizable, como las cámaras de seguridad. [29] Una grabación de una cámara de seguridad basada en tecnología plenóptica podría usarse para producir un modelo 3D preciso de un sujeto. [30]
El Laboratorio de Gráficos por Computadora de la Universidad de Stanford ha desarrollado un microscopio de campo de luz utilizando una matriz de microlentes similar a la utilizada en la cámara de campo de luz desarrollada por el laboratorio. El prototipo está construido alrededor de un microscopio de luz transmitida Nikon Eclipse / microscopio de fluorescencia de campo amplio y cámaras CCD estándar . La capacidad de captura del campo de luz se obtiene mediante un módulo que contiene una matriz de microlentes y otros componentes ópticos colocados en el camino de la luz entre la lente del objetivo y la cámara, con la imagen multifocal final renderizada usando deconvolución . [31] [32] [33] Una versión posterior del prototipo agregó un sistema de iluminación de campo de luz que consiste en un proyector de video (que permite el control computacional de la iluminación) y una segunda matriz de microlentes en la trayectoria de la luz de iluminación del microscopio. La adición de un sistema de iluminación de campo de luz permitió tipos adicionales de iluminación (como iluminación oblicua y campo cuasi oscuro ) y corrección de aberraciones ópticas . [32]
Ver también
- Píxel sensible al ángulo
- Bokeh
- Ojo compuesto
- Femto-fotografía
- Imagen integral
- Imágenes de luz en vuelo
- Foto final
- Cámara de racha
- Fotografía de tira
Referencias
- ^ a b Adelson, EH; Wang, JYA (1992). "Estéreo de lente única con cámara plenoptica". Transacciones IEEE sobre análisis de patrones e inteligencia de máquinas . 14 (2): 99–106. CiteSeerX 10.1.1.53.7845 . doi : 10.1109 / 34.121783 .
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enlaces externos
- Artículo de Ren Ng de Stanford (ahora en Lytro)
- Di Sayonara a las fotos borrosas . Cableado.
- Fotografía de cortes de Fourier
- Video de microscopía de campo de luz por el Laboratorio de Gráficos por Computadora de Stanford.
- Artículo de IEEE Spectrum Mayo de 2012 La fotografía de Lightfield revoluciona las imágenes , con imágenes de muestra y diagramas de funcionamiento, consultado el 11 de mayo de 2012
- www.plenoptic.info Sitio web que explica la cámara plenoptic con animaciones.