Plenoptinen kamera ( lat. plenus , full + muu kreikka ὀπτικός , visuaalinen [1] ), myös valokenttäkamera - digikamera tai digitaalinen videokamera , joka ei kiinnitä valon jakautumista todellisen kuvan tasoon linssi , mutta sen luoma valon vektorikenttä säteet ( valokenttä ). Valokenttäkuvion perusteella voidaan luoda täydellisin kuvatieto, joka soveltuu stereokuvan , säädettävän syväterävyyden ja tarkennuksen kuvien luomiseen sekä erilaisten tietokonegrafiikkaongelmien ratkaisemiseen .
Ensimmäisen kerran valokentän rekisteröintiä mikrolinssirasterin avulla ehdotti vuonna 1908 Gabriel Lippmann [2] . Integroitu valokuvaus tällä tavalla tallentaa suoraan kuvattavista kohteista heijastuneen valon, jolloin saadaan moninäkymäinen kolmiulotteinen kuva. Ortoskooppisen kuvan saamisen vaikeuksien ja samankaltaisen holografian ilmaantumisen vuoksi tekniikka ei ole saanut käytännön sovellusta [3] .
Vuonna 1992 Edelson ja Wang asettivat mikrolinssirasterin tavanomaisen linssin polttotasoon rekisteröiden valokentän sen kuva-avaruuteen . Tällaisella laitteella varustettua kameraa kutsuttiin "plenoptiseksi", mikä ymmärtää tekijöiden aikomuksen luoda stereopareja yhdellä linssillä ja ratkaista kuvan reunojen välisen parallaktisen ristiriidan ongelma [4] . Tekniikka tuli mahdolliseksi digitaalisen valokuvauksen myötä , joka muuntaa mikrolinssirasterin takana olevan kuvan suoraan valokentän parametrien laskemista varten [5] .
CCD-matriisi sijaitsee rasterin takana ja jokainen mikroobjekti rakentaa pinnalle alkeiskuvan linssin ulostulopupillista . Kulmaeroista johtuen kehyksen eri osissa olevat alkeiskuvat eroavat toisistaan kantaen tietoa kuvattavien kohteiden tilavuudesta ja valonsäteiden suunnasta. Tuloksena olevaa kuvajoukkoa purettaessa luodaan valokentän virtuaalinen vektorimalli , joka kuvaa valonsäteiden suuntaa ja intensiteettiä linssin kuvatilassa [6] . Tämän seurauksena tämän mallin perusteella voidaan luoda uudelleen valaistuksen jakautumiskuvio missä tahansa konjugoidussa polttotasossa [7] .
Siten kehittäjien suoraan asettamien tehtävien lisäksi plenoptinen kamera osoittautui sopivaksi täysin odottamattomassa laadussa mahdollistaen tarkan tarkennuksen valmiisiin kuviin. Tätä varten dekoodauksen yhteydessä riittää, että asetetaan konjugoidun polttotason sijainti, jossa valaistuksen jakautuminen on laskettava [8] .
Lisäksi lisäämällä useita tulkintoja samasta kuvasta, jotka on "tarkennettu" eri etäisyyksille, voit saada kuvia, joissa on "ääretön" syväterävyys täysin avoimella aukolla [5] . Stanfordin yliopiston tiimi suoritti valmiin valokuvan ensimmäisen "uudelleentarkentamisen" vuonna 2004 . Tätä varten käytettiin 16 megapikselin kameraa, jossa oli 90 000 mikrolinssiä. Jokaisesta mikrolinssistä tallennettiin peruskuvat noin 177 pikselin resoluutiolla . Lopullisen kuvan resoluutio vastasi mikrolinssien määrää ja oli 90 kilopikseliä [7] .
Tällaisen järjestelmän suurin haittapuoli on lopullisen kuvan alhainen resoluutio, joka ei riipu matriisin ominaisuuksista, vaan rasterin mikrolinssien lukumäärästä [9] . Näistä ominaisuuksista johtuen valokenttäkameroiden erotuskykyä ei kuvata megapikseleinä , vaan "megasäteinä" [10] . Halvemmassa suunnittelussa käytetään rei'istä koostuvaa varjorasteria mikrolinssien sijaan. Jokainen niistä toimii kuin camera obscura luoden alkeellisen kuvan ulostulopupillista omasta kulmastaan. Rasterimaski eliminoi linssin rasteripoikkeamien aiheuttamat artefaktit , mutta vähentää koko järjestelmän valoisuutta.
Nykyaikaisessa käytännön valokuvauksessa valokenttäkameran käyttö on epäkäytännöllistä, koska olemassa olevat näytteet ovat resoluutioltaan ja toiminnallisuudeltaan huomattavasti perinteisiä digitaalikameroita huonompia . Joten lopullisen kuvan saamiseksi, jonka resoluutio on vain 1 megapikseliä , tarvitaan fotomatriisi , joka sisältää vähintään 10 megapikseliä [8] . Samanaikaisesti päästä-päähän elektronisen etsimen käyttöönottoon liittyy suuria vaikeuksia, koska tuloksena olevan dataryhmän salaus on purettava reaaliajassa. Tekniikan erityispiirteistä johtuen kuvaus tehdään aina objektiivin suurimmalla suhteellisella aukolla , lukuun ottamatta valotuksen säätöä aukon avulla . Nykyiset klassiset digitaalikamerat on varustettu tehokkaalla automaattitarkennuksella , joka antaa terävät kuvat millä tahansa kuvausnopeudella ja paremman kuvanlaadun.
Samaan aikaan pleenoptiset kamerat sopivat erinomaisesti sovelluksiin, kuten liikkuvien kohteiden seurantaan [11] . Tähän tekniikkaan perustuvien turvakameroiden tallennuksia voidaan käyttää mahdollisten välikohtausten sattuessa luomaan informatiivisia 3D-malleja epäillyistä [12] [13] . Teknologian lisäparannukset voivat tehdä siitä sopivan 3D - digitaalielokuviin , koska se eliminoi kehyksen reunojen parallaksiepäsuorituksen ja mahdollistaa tarkennustason valinnan valmiissa kuvassa, mikä yksinkertaistaa tarkennuksen vetäimen työtä .
Stanfordin yliopiston tietokonegrafiikkalaboratorio on kehittänyt digitaalisen mikroskoopin , joka toimii samanlaisella periaatteella linssirasterin kanssa. Mikrokuvauksessa kyky säätää syväterävyyttä mahdollistaa terävien kuvien luomisen aukkoa pienentämättä . Tekniikka on jo käytössä Nikonin Eclipse-sarjan mikroskoopeissa [5] .
Stanfordin yliopiston opiskelijat loivat vuonna 2005 Contax 645 -järjestelmäkameraan perustuvan kameran, joka toimii näiden periaatteiden mukaan. Digitaalisen takamatriisin eteen asennettiin plenoptinen kiinnitys , joka koostui useista mikrolinsseistä [14] . Valokenttävalokuvauksen tutkija Ren Ng kirjoitti tämän työn pohjalta väitöskirjan ja perusti vuonna 2006 Lytro -projektin [8] (alunperin nimeltään Refocus Imaging ),
vuoden 2011 loppuun mennessä luoda kilpailukykyinen [valokenttä]-kamera, joka on kuluttajalle edullinen ja mahtuu taskuun.
Vuonna 2011 yhtiö ilmoitti Steve Jobsin tuella hyväksyvänsä kehittämänsä kameran tilaukset, joka tuli myyntiin saman vuoden lokakuussa. 11 megaray-resoluutiolla kameran fyysinen resoluutio oli 1080 × 1080 pikseliä [14] .
Mitsubishin sähkötekniikan laboratorio on kehittänyt valokenttäkameran "MERL", joka perustuu optisen heterodyynin periaatteeseen ja fotomatriisin edessä sijaitsevaan rasterimaskiin. Mikä tahansa keskikokoinen digitaalinen takaosa voidaan muuntaa plenoptiseksi taustapuolelle asettamalla tällainen maski tavallisen anturin eteen [15] . Samanaikaisesti maskin ja linssin rasterin välisten perustavanlaatuisten erojen vuoksi on mahdollista välttää resoluution pieneneminen.
Adobe Systems on kehittänyt vaihtoehtoisen kamerasuunnittelun, joka toimii eri periaatteilla. Laite kuvaa 100 megapikselin matriisia samanaikaisesti 19 eri etäisyyksille tarkennetun objektiivin kautta. Tämän seurauksena 5,2 megapikselin kennon 19 alueelta saadaan erillisiä kuvia kohteesta eri tarkennuksilla. Tietotaulukon jatkokäsittely mahdollistaa kuvan valitsemisen halutulla tarkennuksella tai yhdistelemällä erilaisia laajentaaksesi syväterävyyttä [16] . Lisäksi järjestelmän avulla voit luoda kolmiulotteisia valokuvia , jotka näyttävät ehdottoman terävästi kohteet millä tahansa etäisyydellä yhdistämällä teräviä osia kuvan eri "kerroksista". Nokia investoi miniatyyriplenoptisen kameran kehittämiseen, jossa on 16-kennoinen linssiryhmä [ 17] .
Huhtikuussa 2016 julkistettiin Lytro Cinema -digitaalifilmikamera , jonka fyysinen matriisiresoluutio on 755 megapikseliä [18] [19] . Kehittäjät väittävät, että uusi 125 000 dollarin kamera eliminoi vaeltavan maskin ja chroma key -tekniikoiden tarpeen , koska on mahdollista kuvata kerroksittain eri etäisyyksillä kamerasta [20] . Lisäksi kameran tallentama lpf-videodata soveltuu sekä "litteän" 2D-elokuvan että 3D -stereofilmien luomiseen . "Lytro Cineman" tärkein etu on mahdollisuus luopua fokuksenvetäjän ammatista , jonka kohtalokkaat virheet ovat väistämättömiä millä tahansa pätevyydellä. Kohtauksen kannalta tärkeisiin kuvauskohteisiin keskittyminen voidaan suorittaa jo kaapatulle materiaalille suurella tarkkuudella ja mielivaltaisella käännösnopeudella [21] [22] .