Plenoptická ("mnohočočková") fotografie stojí v zásadě na dvou myšlenkách. První je popis obrazu pomocí "světelného pole", kde se u světelných paprsků zaznamenává nejen jejich intenzita a umístění, ale i směr (Michael Faraday, 1846). Druhá je "integrální fotografie" pomocí souboru mnoha malých čoček před fotografickým filmem (Gabriel Lippmann, 1908). Některé myšlenky plenoptiky se používají celkem běžně například v laserové technice.
U plenoptické fotografie je celý trik schován v tom, že v každém z "pixelů" obrazu je zachycen "subobraz" části celé scény, je to vlastně prokládání mnoha obrazů přes sebe. Pak se původní obraz dá buď zobrazit opět přes soubor mikročoček (většina z nás už měla v ruce "proměňující se" pohlednice) - nebo se musí dopočítat na počítači. V případě digitálního plenoptického fotaparátu stačí na klasický digitální snímací čip položit fólii plnou mikročoček. Velmi se sice sníží rozlišení (na jednu mikročočku připadá obvykle 20-200 pixelů čipu), ale ve spojení s počítačem lze provádět nevídané triky.
| Lytro a jeho triky. Zdroj: Lytro |
Lytro a jemu podobní plenoptiku využívá k tomu, aby zaznamenal najednou obrazy s mnoha různými rovinami ostrosti, které lze pak matematicky z dat vyextrahovat. Prakticky pak lze dodatečně z jednoho záběru vyrobit několik desítek klasických 2D záběrů s různě posunutou rovinou ostrosti, nebo vyrobit snímek proostřený do hloubky celý nebo dokonce velmi mírně natočitelný (v rámci rozměrů hlavního objektivu). S trochou dalšího zpracování lze často vytvořit i skutečný 3D obraz.
Různé plenoptické fotoaparáty se vyrábí zhruba 10 let (například od firmy Raytrix), ale Lytro je posunulo na novou úroveň dostupnosti, základní model stojí $400. To je dost málo, aby si je "na hraní" pořídila i kdejaká laboratoř a zjistila, k čemu všemu je plenoptika dobrá.
Maďarsko-americký tým Peter Hartmann, István Donkó a Zoltán Donkó vyzkoušeli Lytro pro použití ve studiu takzvaného "zaprášeného plazmatu".
Prachové částice se v plazmatu snadno nabíjejí a pak mohou levitovat a proudit v elektrickém poli. To umožňuje netradičním způsobem sledovat vlastnosti plazmatu nebo simulovat ve velkém procesy podobné těm při tvorbě krystalů. Je vždy však potřeba určit, kde v plazmatu se jednotlivé částice vznáší. Většina metod je buď pomalá, nepřesná nebo instrumentačně a výpočetně náročná. Nejpřesnější je zřejmě stereometrie, kdy se objekt snímá z několika kamer najednou. Krom složitosti výpočtů je problémem už to, že často není v aparatuře tolik vhodných okének, aby se dala použít. S Lytro to nevadí.
| Schéma experimentu s levitujícími prachovými částicemi. 1- napájená elektroda, 2 - 200mW laser, 3 - zemněná elektroda, 4 - fotoaparát Lytro, 5 - shluk prachových částic, 6 - předsádková čočka. Zdroj: arxiv.org |
Výzkumníci posadili fotoaparát šikmo k oblaku částic osvětleného laserem a udělali snímek. Data z fotoaparátu si zpracovali vlastním programem v jazyce C a vyrobili si tak virtuální fotografie s různou rovinou ostrosti. Identifikovat jednotlivé částice nebyl problém. Pak stačilo dohledat, na kterém virtuálním snímku je která částice nejostřejší a vida - plně 3D mapa rozložení částic je na světě.
| Obraz prachových části digitálně přeostřený do různé vzdálenosti. Zdroj: arxiv.org |
Téměř 3D pohled jedním snímkem z jedné kamery, s vcelku jednoduchým počítačovým zpracováním? Vědci a technici si ještě s plenoptikou užijí spoustu legrace. A nejen oni.
| Tak vypadá obraz na čipu plenoptického fotoaparátu. Zdroj: Max Planck Institut / Informatik |
Těšíte se už na plenoptické kamery? Toshiba na konci letošního roku plánuje uvést do prodeje levný plenoptický snímač pro chytré telefony, který by už měl zvládat i video...
| 3D rekonstrukce obrazu z videa zachyceného plenoptickou kamerou Raytrix. Zdroj: Raytrix |
Nad tím, co by nás s rozvojem plenoptiky mohlo čekat, jsem se pokusil zamyslet zde.
Zdroj:
Single exposure 3D imaging of dusty plasma clusters, Peter Hartmann, István Donkó, Zoltán Donkó, 2012, https://arxiv.org/abs/1212.1415