Cámara de campo de luz - Light field camera

Cámara de campo de luz de segunda generación Lytro Illum
Parte delantera y trasera de una Lytro , la primera cámara de campo de luz para consumidores, que muestra la lente frontal y la pantalla táctil LCD

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 precisa en la que los rayos de luz viajan en el espacio. Esto contrasta con las cámaras convencionales, que solo registran la intensidad de la luz.

Un tipo 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. 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 hoja de plástico en relieve con una serie regular de microlentes, o incrustando parcialmente pequeñas perlas de vidrio, empaquetadas de cerca en un patrón aleatorio, en la superficie de la emulsión fotográfica .

En 1992, Adelson y Wang propusieron un diseño que reducía el problema de correspondencia en el emparejamiento estéreo. 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

Esto demuestra la capacidad de cambiar la distancia focal y la profundidad de campo después de tomar una foto - Enfoque cercano (arriba), Enfoque lejano (medio), Profundidad de campo completa (abajo) - usando el software de cámara de campo de luz Lytro Illum

La "cámara plenóptica estándar" es un modelo matemático utilizado por los investigadores para comparar diseños. Por definición, tiene microlentes colocadas a una distancia focal del plano de imagen de un sensor. La investigación ha demostrado que su línea de base máxima se limita al tamaño de la pupila de entrada de la lente principal, que es pequeño en relación con las configuraciones estereoscópicas. Esto implica que la "cámara plenóptica estándar" puede estar destinada a aplicaciones de corto alcance, ya que presenta una mayor resolución de profundidad a distancias que pueden predecirse métricamente en función de los parámetros de la cámara.

Cámara plenóptica enfocada

En 2004, un equipo del Laboratorio de Gráficos por Computadora de la Universidad de Stanford utilizó una cámara de 16 megapíxeles para demostrar que las imágenes se pueden reenfocar después de tomarlas. El sistema utilizó una matriz de 90.000 microlentes, que arrojó una resolución de 90 kilopíxeles.

Lumsdaine y Georgiev describieron un diseño en el 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 reenfocar con una resolución espacial mucho más alta que las imágenes de una cámara plenóptica estándar. Sin embargo, la resolución angular más baja puede introducir artefactos de alias .

Cámara de apertura codificada

En 2007 se propuso un diseño que utilizaba una máscara de película impresa de bajo costo en lugar de una matriz de microlentes. Este diseño reduce las aberraciones cromáticas y la pérdida de píxeles fronterizos que se ven en las matrices de microlentes y permite una mayor resolución espacial. Sin embargo, el diseño basado en máscara reduce la cantidad de luz que llega al sensor de imagen, reduciendo el brillo.

Lytro

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. Luego, el software utiliza estos datos para crear imágenes en 2D o 3D que se pueden visualizar. 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". Tiene una resolución 2D máxima de 1080 × 1080 píxeles (aproximadamente 1,2 megapíxeles ),

Características

Las características incluyen:

  • Profundidad de campo variable y "reenfoque": la función "Difusión de enfoque" de Lytro permite ajustar la profundidad de campo (profundidad de enfoque) de una representación bidimensional de una imagen de Lytro después de tomar una fotografía. En lugar de 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.
  • 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. 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 seguir con precisión 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.
  • 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.

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 como estudiante de posgrado. Lytro cesó sus operaciones en marzo de 2018.

Raytrix ha ofrecido varios modelos de cámaras plenópticas para aplicaciones industriales y científicas desde 2010, con un campo de visión a partir de 1 megapíxel.

d'Optron y Rebellion Photonics ofrecen 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. Nokia invirtió en Pelican Imaging para producir un sistema de cámara plenóptica con una matriz de 16 lentes que se esperaba que se implementara en los teléfonos inteligentes Nokia en 2014. Pelican pasó a diseñar cámaras complementarias que agregan capacidades de detección de profundidad a la cámara principal de un dispositivo, en lugar de una base. cámaras de matriz sola.

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 toma una foto de la escena de 5.2 megapíxeles. Cada imagen se puede enfocar más tarde de cualquier manera.

CAFADIS es una cámara plenóptica desarrollada por la Universidad de La Laguna (España). 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 imágenes enfocadas a diferentes distancias, mapas de profundidad, imágenes todo en foco y pares estéreo. Se puede utilizar un diseño óptico similar en óptica adaptativa en astrofísica .

La cámara de campo de luz de Mitsubishi Electric Research Laboratories (MERL) se basa en el principio de heterodinación óptica 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. 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.

El Laboratorio de Gráficos por Computadora de la Universidad de Stanford desarrolló un prototipo de microscopio de campo de luz utilizando una matriz de microlentes similar a la utilizada en su cámara de campo de luz. El prototipo está construido alrededor de un microscopio de luz transmitida Nikon Eclipse / microscopio de fluorescencia de campo amplio y cámaras CCD estándar . La captura del campo de luz se obtiene mediante un módulo que contiene una matriz de microlentes y otros componentes ópticos colocados en la trayectoria de la luz entre la lente del objetivo y la cámara, con la imagen multifocal final renderizada mediante deconvolución .

Un prototipo posterior 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 .

Versiones amateur

La modificación de las cámaras digitales estándar requiere poco más que láminas adecuadas de material de microlentes, por lo que varios aficionados han producido cámaras cuyas imágenes pueden procesarse para proporcionar información de dirección o profundidad de campo selectiva.

Aplicaciones

En un estudio de 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.

Las cámaras plenopticas son buenas para obtener imágenes de objetos en rápido movimiento que superan las capacidades de enfoque automático y para imágenes de objetos donde el enfoque automático no es práctico, como con las cámaras de seguridad. Se podría utilizar una grabación de una cámara de seguridad basada en tecnología plenóptica para producir un modelo 3D preciso de un sujeto.

Ver también

Referencias

enlaces externos