Una cámara plenoptic (del lat. plenus , lleno + otro griego ὀπτικός , visual [1] ), también una cámara de campo de luz - una cámara digital o cámara de video digital , que no fija la distribución de la iluminación en el plano de la imagen real del lente , sino el campo vectorial de luz creado por sus rayos ( campo de luz ). Sobre la base del patrón de campo de luz, se puede recrear la información de imagen más completa, adecuada para crear una imagen estéreo , fotografías con ajustableprofundidad de campo y enfoque, así como para resolver diversos problemas de infografía .
Por primera vez, Gabriel Lippmann [2] propuso en 1908 el registro de un campo de luz utilizando un ráster de microlentes . La fotografía integral registra de esta manera la luz reflejada directamente de los objetos que se están fotografiando, proporcionando una imagen tridimensional de múltiples vistas. Debido a las dificultades para obtener una imagen ortoscópica y la aparición de la holografía con capacidades similares, la tecnología no ha recibido aplicación práctica [3] .
En 1992, Edelson y Wang colocaron una trama de microlente en el plano focal de una lente convencional , registrando el campo de luz en su espacio de imagen . Una cámara con tal dispositivo se denominó "plenoptic", dándose cuenta de la intención de los autores de crear pares estéreo con una sola lente y resolver el problema de la discrepancia paraláctica entre los bordes de la imagen [4] . La tecnología se hizo posible gracias al advenimiento de la fotografía digital , que convierte la imagen detrás de la trama de microlentes directamente en datos para calcular los parámetros del campo de luz [5] .
La matriz CCD se ubica detrás de la trama y cada microobjetivo construye en su superficie una imagen elemental de la pupila de salida de la lente. Debido a la diferencia de ángulos, las imágenes elementales en diferentes partes del encuadre difieren entre sí y contienen información sobre el volumen de los objetos que se disparan y sobre la dirección de los haces de luz. Al descifrar el conjunto de imágenes resultante, se crea un modelo vectorial virtual del campo de luz que describe la dirección y la intensidad de los haces de luz en el espacio de la imagen de la lente [6] . Como resultado, sobre la base de este modelo, se puede recrear el patrón de distribución de la iluminación en cualquiera de los planos focales conjugados [7] .
Por lo tanto, además de las tareas establecidas directamente por los desarrolladores, la cámara plenoptic resultó ser adecuada en una calidad completamente inesperada, lo que permite un enfoque preciso en imágenes preparadas. Para ello, al decodificar, basta con fijar la posición del plano focal conjugado, en el que se requiere calcular la distribución de iluminación [8] .
Además, la adición de varias interpretaciones de la misma imagen, “enfocada” a diferentes distancias, permite obtener imágenes con una profundidad de campo “infinita” con una apertura completamente abierta [5] . El primer "reenfoque" de una fotografía terminada fue realizado en 2004 por un equipo de la Universidad de Stanford . Para ello se utilizó una cámara de 16 megapíxeles con un array de 90.000 microlentes. Se registraron imágenes elementales de cada microlente con una resolución de unos 177 píxeles . La resolución de la imagen final correspondía al número de microlentes y ascendía a 90 kilopixeles [7] .
La principal desventaja de este sistema es la baja resolución de la imagen final, que no depende de las características de la matriz, sino del número de microlentes en la trama [9] . Debido a estas características, el poder de resolución de las cámaras de campo de luz no se describe en megapíxeles , sino en "megahaces" [10] . Un diseño más económico implica el uso de un ráster de sombra que consta de agujeros en lugar de una serie de microlentes. Cada uno de ellos funciona como una cámara oscura , creando una imagen elemental de la pupila de salida desde su propio ángulo. La máscara de trama elimina los artefactos debido a las aberraciones de trama de la lente , pero reduce la luminosidad de todo el sistema.
En la fotografía práctica moderna, el uso de una cámara de campo de luz no es práctico, ya que las muestras existentes son significativamente inferiores a las cámaras digitales convencionales en términos de resolución y funcionalidad. Entonces, para obtener una imagen final con una resolución de solo 1 megapíxel , se requiere una fotomatriz que contenga al menos 10 megapíxeles [8] . Al mismo tiempo, la implementación de un visor electrónico de extremo a extremo está asociada con grandes dificultades debido a la necesidad de descifrar la matriz de datos resultante en tiempo real. Debido a las peculiaridades de la tecnología, el disparo siempre se realiza en la máxima apertura relativa de la lente, excluyendo el ajuste de la exposición mediante la apertura . Las cámaras digitales clásicas existentes están equipadas con un enfoque automático efectivo , que brinda imágenes nítidas a cualquier velocidad de disparo y una calidad de imagen superior.
Al mismo tiempo, las cámaras plenopticas son excelentes para aplicaciones como el seguimiento de objetos en movimiento [11] . Las grabaciones de las cámaras de seguridad basadas en esta tecnología, en caso de incidentes, se pueden utilizar para crear modelos 3D informativos de los sospechosos [12] [13] . La mejora adicional de la tecnología puede hacerla adecuada para el cine digital 3D , ya que elimina el desajuste de paralaje de los bordes del cuadro y hace posible elegir el plano de enfoque en la imagen terminada, lo que simplifica el trabajo del extractor de enfoque .
El laboratorio de gráficos por computadora de la Universidad de Stanford ha desarrollado un microscopio digital que funciona con un principio similar al de una lente de trama. En microfotografía , la capacidad de ajustar la profundidad de campo le permite crear imágenes nítidas sin reducir la apertura . La tecnología ya se utiliza en los microscopios de la serie Eclipse de Nikon [5] .
En 2005, estudiantes de la Universidad de Stanford crearon una cámara basada en la cámara SLR Contax 645 que funciona según estos principios. Se instaló un accesorio plenoptic frente a la matriz posterior digital , que consta de muchas microlentes [14] . El investigador de fotografía de campo de luz Ren Ng escribió una disertación basada en este trabajo, y en 2006 fundó el proyecto Lytro [8] (originalmente llamado Refocus Imaging ),
para finales de 2011, crear una cámara [de campo claro] competitiva que sea asequible para el consumidor y que quepa en el bolsillo.
En 2011, con el apoyo de Steve Jobs , la empresa anunció la aceptación de pedidos de la cámara que había desarrollado, que estuvo disponible para la venta en octubre de ese año. Con una resolución de 11 megarayos, la cámara proporcionaba una resolución física de 1080×1080 píxeles [14] .
El laboratorio de ingeniería eléctrica de Mitsubishi ha desarrollado una cámara de campo de luz "MERL", basada en el principio de un heterodino óptico y una máscara de trama ubicada frente a la fotomatriz. Cualquier respaldo digital de formato medio puede transformarse en un respaldo plenoptic simplemente colocando dicha máscara frente al sensor estándar [15] . Al mismo tiempo, debido a las diferencias fundamentales entre la máscara y la trama de la lente, es posible evitar reducir la resolución.
Adobe Systems ha desarrollado un diseño de cámara alternativo que funciona con diferentes principios. El dispositivo dispara en una matriz de 100 megapíxeles simultáneamente a través de 19 lentes enfocadas a diferentes distancias. Como resultado, en 19 áreas del sensor de 5,2 megapíxeles cada una, se obtienen imágenes separadas del sujeto con diferente enfoque. El procesamiento posterior de la matriz de datos le permite seleccionar una imagen con el enfoque deseado o combinar diferentes para expandir la profundidad de campo [16] . Además, el sistema le permite crear fotografías tridimensionales que muestran objetos absolutamente nítidos a cualquier distancia al combinar secciones nítidas de diferentes "capas" de la imagen. Nokia está invirtiendo en el desarrollo de una cámara plenóptica en miniatura con una matriz de lentes de 16 celdas [ 17 ] .
En abril de 2016, se anunció el lanzamiento de la cámara de película digital Lytro Cinema con una resolución de matriz física de 755 megapíxeles [18] [19] . Los desarrolladores afirman que la nueva cámara de $ 125,000 elimina la necesidad de máscaras errantes y tecnologías de clave de croma , ya que es posible reproducir imágenes capa por capa a diferentes distancias de la cámara [20] . Además, los datos de video lpf capturados por la cámara son adecuados para crear películas 2D "planas" y películas estéreo 3D . La principal ventaja de "Lytro Cinema" es la posibilidad de abandonar la profesión de foquista , cuyos fatales errores son inevitables con cualquier titulación. El enfoque de objetos importantes para la escena puede realizarse en material ya capturado con alta precisión y velocidad de traducción arbitraria [21] [22] .