211service.com
Bell Labs uppfinner linslös kamera
Den traditionella metoden för bildbehandling, som är minst 150 år gammal, förlitar sig på en lins för att skapa en bild och en enhet för inspelning av fotoner som en rad pixlar, en ljuskänslig film eller till och med en näthinna.
Men en dramatisk revolution som för närvarande tar bildvärlden med storm gör att detta snart kan förändras.
Denna revolution bygger på en teknik som kallas compressive sensing, som bygger på tanken att många vanliga mätningar har enorm redundans. Det betyder att det är möjligt att få samma data med bara en bråkdel av noggrant utvalda mätningar.
Tricket är förstås att veta vilka mått man ska ta och hur man sätter ihop dem igen. Olika team har ivrigt experimenterat med denna idé. Redan i januari tittade vi till exempel på en grupp som har skapat 3D-bilder med en enda pixel på detta sätt.
Idag tar den här revolutionen fart eftersom Gang Huang och kompisar från Bell Labs i New Jersey säger att de har använt kompressionsavkänning för att bygga en kamera som inte behöver något objektiv och som bara använder en enda avkänningspixel för att ta bilder. Dessutom är bilderna från den här kameran aldrig ur fokus.
Den nya enheten är enkel till sin natur. Arkitekturen består av två komponenter, en öppningsenhet och en sensor. Inget objektiv används, säger Huang och co. Den består av en LCD-panel som fungerar som en samling öppningar som var och en tillåter ljus att passera igenom och en enda sensor som kan detektera ljus i tre färger.
Varje bländare i LCD-matrisen är individuellt adresserbar och kan därför vara öppen för att låta ljus passera igenom eller stängas. En viktig aspekt av denna typ av bildbehandling är att arrayen av öppna och stängda öppningar måste vara slumpmässiga.
Processen att skapa en bild är enkel. Det börjar med att sensorn registrerar ljuset från scenen som har passerat genom en slumpmässig uppsättning öppningar i LCD-panelen. Den registrerar sedan ljuset från en annan slumpmässig array och sedan en annan och så vidare.
Även om det verkar slumpmässigt är var och en av dessa ögonblicksbilder korrelerade eftersom de spelar in samma scen på ett annat sätt. Och det här är nyckeln som teamet använder för att sätta ihop en bild igen. Processen med kompressionsavkänning analyserar data och letar efter denna korrelation som den sedan använder för att återskapa bilden.
Det är klart att ju fler ögonblicksbilder som tas, desto bättre blir bilden. Men det är möjligt att skapa en ganska bra bild med bara en liten bråkdel av den data som en konventionell bild skulle kräva.
Till exempel tog Bell Labs-teamet bilden av böckerna (ovan) med bara en fjärdedel av den data de kunde ha registrerat.
Faktum är att ju mindre detaljer det finns i scenen, desto mindre data krävs för att rekonstruera den.
Denna revolutionerande objektivfria kamera har ett antal fördelar jämfört med en konventionell kamera. Först är den lilla mängd data som krävs för att skapa bilder. Utan en lins lider dessa bilder inte av några av de aberrationer och fokuseringsproblem som är förknippade med linser. Scenen är helt i fokus och bildens upplösning beror på storleken och antalet bländare och ljussensorns punktliknande karaktär.
Genom att använda två sensorer bakom samma bländarmatris är det möjligt att skapa två olika bilder av scenen samtidigt. Faktum är att flera sensorer producerar flera bilder.
Dessutom är enheten enkel och billig. Huang och kompisar byggde sin prototyp med hjälp av billiga hyllkomponenter som vem som helst skulle ha tillgång till.
Det bästa av allt är att samma tillvägagångssätt fungerar för andra våglängder av ljus som infraröda och millimetervågor. Så det borde vara möjligt att skapa relativt billiga kameror för dessa våglängder också.
Nackdelen, åtminstone för tillfället, är att det tar tid att skaffa data för varje bild. Så kameran skapar bara bilder av stillbilder.
Men även det är användbart för övervakning eftersom det är möjligt att jämföra på varandra följande bilder av samma scen för att fastställa saker som har förändrats eller för att räkna ut hastigheten på rörliga föremål.
Det är ett imponerande arbete som sannolikt kommer att få långtgående konsekvenser för hur vi spelar in världen omkring oss. Räkna med att få höra mycket mer om kompressiv bild, eller spökbilder som det ibland kallas, inom en snar framtid.
Det är också intressant att se Bell Labs slå på sina remmar igen. Detta är en organisation med en vördnadsvärd historia men ett tumultartat nära förflutet. Med framsteg som detta finns det alltid en chans att den kan återta en del av sin forna glans.
Ref: arxiv.org/abs/1305.7181 : Linslös avbildning genom kompressionsavkänning