数码相机的未来走向

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经常在电影里看到这样的桥段,一张颗粒感很强的图像,其中的面容或者是车牌号都难以辨认,但是只需要轻触屏幕或者轻敲几个按键,就可以获得清晰的局部放大图,犯罪信息一览无余,案件立刻获得侦破。

然而在现实生活中,这种图像无损放大和增强的技术还没有得到实现。不过,科学家们却从这样的情节中寻找到了灵感。近年来,学术界出现了一个新的研究领域叫做“计算摄影学(computational photography)”。据该领域的领军人物,斯坦福大学的马克·勒沃伊(Marc Levoy)教授介绍说:“在很长一段时间里,相机制造商们都着眼于推出高像素高分辨率的相机。但是,随着微软的10亿像素级相机的出现,‘像素战’理应告一段落。当务之急,是寻找到新的研究热点,创造出新的消费热点。”

在计算摄影学中,研究人员结合相机的成像原理,结合光学的知识,设计出新型的高效的算法,力图改变传统相机对于场景的捕捉方式。目前,已出现并且得到认可的两项研究成果,一个是发现站在墙角背后的埋伏者或是隐藏者,另一项是能够通过罪犯眼睛中的反射图像来辨认出受害者的身份。除此以外,还有一些力图进军消费市场的功能,着眼于家用数码相机和智能手机上的应用,比如可以让摄影师以独特的方式进入照片中。

此前,我们也介绍过几款新型相机,比如可以先拍照后对焦的 Lytro 。还有,斯坦福大学最近研发出可自行编程的相机“Frankencamera”,意味着相机也在向开源的路线并进,为更多有想法的用户提供了可自行定制的相机开放平台。

数码相机的出现,冲垮了胶片行业。智能手机的风靡,又影响着数码相机的地位。下一次的相机风暴将以何种方式席卷而来呢?

1. 眼中世界,用照片重现眼中的场景

十年前,数码相机是个稀罕物,市场上胶片照相机仍是主流,电子传感器是“挑大梁”的部件。相机成像原理即为,镜头捕捉到三维场景中反射的光,真实将其记录在胶片上,形成二维图像。

但是,在数码照相机中,“真实重现”这个词语就不复存在了。数码相机里都有一个小型计算机,对镜头搜集到的光学信号进行处理,包括滤波、转换盒添加一些图像处理的操作,最后处理结果放进存储卡。对于专业摄影师而言,他们只能挑选相机,而不能改变相机内部的操作。如果想要拍出与众不同的照片,也只能在镜头上玩一些光学的小把戏,比如说通过镜头叠加,或者在镜头前加上蒙版,诸如此类。

所以,我们经常看到,专业的摄影大哥玩设备,“非主流”的菜鸟玩家用PS。那么,这两者能否结合起来呢?

哥伦比亚大学计算机视觉实验室的负责人希瑞·纳亚尔(Shree Nayar)教授他介绍说:“此前,图像处理中的数学知识和物理成像中得光学知识均已应用到了相机业界。下一步,这两个研究领域的强强联手一定是主流的研究方法。只要你同时考虑这两个领域的知识,就能够创造出新的其乐无穷的玩意儿。”

研究人员最近设计出一款相机,可以扫描拐角处。相继发射出激光(红线),由门反射后撞击到隐藏在拐角处的物体(蓝线)。反射线(绿色)回馈给相机处理,得到肉眼盲区的拐角后的图像。

研究人员最近设计出一款相机,可以扫描拐角处。相继发射出激光(红线),由门反射后撞击到隐藏在拐角处的物体(蓝线)。反射线(绿色)回馈给相机处理,得到肉眼盲区的拐角后的图像。

早在2009年,麻省理工大学和加州大学就联合开发出来的一款相机,可以拍摄到拐角后面的人像。它选用了安置了一台钛蓝宝石激光脉冲器作为光源,以1秒100万次的频率放射出激光脉冲,再利用反射面使光传播到藏匿物,再从藏匿物反射回相机镜头,即可捕捉到“看不到”的物体。

这项技术不仅可以看到拐角处的物体,还可以在狭窄区间内获得较宽的视野。从侦察角度考虑,可以用于团队作战的配合、掩护和救援,也可以形成“敌人在明我在暗”的优势。

该研究团队的另一项研究成果叫做“眼中世界(world in an eye)”,它能够通过照片中,单只眼球上映射出的图像,来重建出眼睛主人周围的场景。该项目的研发者纳亚尔介绍说,这项技术充分利用了眼睛角膜的几何模型,然后将角膜上类似“鱼眼”成像的图像模型转换成周围场景在角膜上的映射,从而进行重构。同时,需要考虑的因素还包括,相机的倾斜角度和人物的眼球位置。

有了这项技术,在场景中,眼球关注的焦点就可以被找到。所以,这项技术的实现,对于眼球跟踪的研究也是促进作用的。

通过一张眼睛的图像,复原出眼睛的主人究竟看到了什么。这是哥伦比亚大学计算机视觉实验室的研究成果。

通过一张眼睛的图像,复原出眼睛的主人究竟看到了什么。这是哥伦比亚大学计算机视觉实验室的研究成果。

2. 更先进的成像方式

作为非专业摄影人员,我们都希望相机能够更贴心,以帮助我们拍出惊喜连连的牛掰照片。

准确对焦和虚焦,这或许是业余摄影者最希望实现的效果。所以,Lytro的出现可谓应时而为,它可以为拍摄后的图片重新定焦。

Lytro的原理就是在相机的镜头和感光元件之间,还有一组微镜头阵列,来记录光场的信息,包括光强、颜色和方向等。传统数码相机捕捉到的光照信息都是记录在整张照片上的,而Lytro的光场信息精确到了每一个像素点上。这样,像素点之间的光场关系也被精确记录,为重新定焦提供了可能。

具有重新定焦功能的Lytro相机拍摄的照片。

具有重新定焦功能的Lytro相机拍摄的照片。

随着Lytro进入消费市场,很快就出现了相同技术在智能手机上应用。Pelican是具有5×5微镜头阵列的智能手机,和Lytro功能完全相同,也可以对拍摄后的照片重定焦。

下一步光场相机的开发,可以进一步提升成像质量。因为捕捉到了更精确的光场信息,所以可以在每次按下快门时迅速拍摄多张不同曝光值的照片,相机中得智能处理设备可以对于这些照片进行分析和融合,从而为用户呈现出最佳的成像效果。其实这就是高动态范围成像(high dynamic range imaging)的研究范畴。

同时,相机中还可以兼备一个缓存区,在镜头打开的状态下,实时捕捉场景,将其暂时保存在缓存中。当摄影师按下快门的时候,就可以同时获得在该时间点前前后后的多张照片,再也不怕错过精彩瞬间了。

一款叫做SynthCam的应用,可以把实际景观拍摄成模型的样子。

一款叫做SynthCam的应用,可以把实际景观拍摄成模型的样子。

3. 强强联手,打造新型相机风向标

勒沃伊说:“我的这些想法都是从计算机图形学中得到的灵感,其实每个人都能够驾轻就熟地掌握这些知识,并且获得一些想法。但是产业界并非如此,存在很多‘潜规则’。在学术界,已经有很多漂亮的研究成果,相机制造商们只可能在发现商机的时候,才会将其应用在自己的产品中。”

所以,勒沃伊有一个更加宏伟的愿望,希望相机以后也可以像智能手机一样,提供一个可开发应用的平台,这样用户就可以集思广益,特别定制出属于自己的一款相机了。

Frankencamera,正是为了这种想法,而设计出来的新一代相机。

勒沃伊的同事安德鲁·亚当斯(Andrew Adams)说:“我们前期想与一些相机制造商合作,但这是在是一种痛苦的经历。当经历了足够的拒绝和挫败之后,我们决定研发自己的相机,提供编程功能。”

初期的Frankencamera是一个看起来略显笨重的大黑盒子,其配件都与普通相机无异。但是遵从计算机科学的精神,这款相机基于Linux平台,很容易自行移植和开发。此外,他们还在其中加了陀螺仪,在图像拍摄的过程中用来检测相机是否有抖动,以及抖动的轨迹,借此加以恢复,进一步增强了成像效果。

据悉,这款可定制相机的技术,获得了诺基亚的青睐。目前,该研究团队已为Nokia N900上的相机开发出很多应用。亚当斯介绍说:“我们做的第一件事,是替换掉N900的自动对焦的程序。我们公布这个任务不足一周的时间,就有了很多精彩的解决方案。”

亚当斯说,研究团队在2010年公开了代码,所以任何人都可以为Nokia N900的照相功能添加各种有趣的应用。像是全景拼接,高动态图像处理,还有更自动更正的闪光功能——也就是说,对于同一场景,自动处理加闪光和不加闪光的效果。有了这些,Nokia N900将成为一款拍摄利器。

同时,Frankencamera还提供了“重新拍摄(rephotography)”的功能。这款相机可以分析出场景中的一些特征,比如说某些特征点特征元素,还有摄影师的拍摄角度。对于这些特征值进行分析和重新赋值,就可以对于老照片中相同的场景“重拍”出截然不同的照片。

随着这款够给力的相机出炉,手抖或者是曝光不足的担心都会不复存在了。制造以假乱真的专业效果,即便只有一台智能手机,也会成为手到擒来的事情。就像是智能手机系统一样,一旦Frankencameras或者是类似的产品获得了足够多用户的认可和使用之后,其创造潜能就会被极大地激发出来,但凡你能想到的,早就有程序员先一步为你做好了。

“计算,就是新的光学”,亚当斯最后总结道。

图片和信息来源: sciencenews

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