Камери нового покоління зможуть бачити крізь стіни

А вам подобається камера на вашому новенькому смартфоні? Вона може визначати обличчя на фотографії і знімати відео в режимі slow-motion в найвищій роздільній здатності. Але ці технологічні прориви — лише початок великої революції, що розгортається у нас на очах. Останні дослідження в області камер відходять від збільшення кількості мегапікселів на користь злиття даних камер з обчислювальною потужністю. І тут мається на увазі не обробка в стилі Photoshop, коли на зображення накладаються ефекти і фільтри, а скоріше новий підхід, коли дані, що надходять взагалі не схожі на зображення. Зображенням вони стають після серії обчислювальних маніпуляцій, які часто пов'язані зі складною математикою і моделюванням того, як світло проходить через сцену або камеру.

Додатковий рівень обчислювальної обробки магічно звільняє нас від ланцюжків звичайних методів візуалізації. В один прекрасний день нам більше не будуть потрібні камери в звичайному сенсі. Замість цього ми будемо використовувати світлові детектори, які ще кілька років тому ніхто навіть і не розглядав для створення зображень. І вони будуть здатні на дивні речі: бачити через туман, заглядати всередину людського тіла і навіть бачити крізь стіни.

Однопіксельні камери

Серед цікавих прикладів — однопиксельная камера, яка спирається на абсолютно простий принцип. Стандартні камери використовують безліч пікселів (крихітних чутливих елементів) для захоплення сцени, яка висвітлена одним джерелом світла (в більшості випадків). Але можна зробити і навпаки: вловлювати інформацію з багатьох джерел світла за допомогою одного пікселя.

Для цього вам потрібен контрольований джерело світла, навіть простий проектор даних, який освітлює сцену одним плямою або видає серію різних патернів. Для кожного плями освітлення або патерну можна виміряти кількість відбитого світла і підсумувати його, створивши кінцеве зображення.

Очевидно, недолік такої фотозйомки полягає в тому, що вам доведеться передати безліч освітлених плям або патернів, щоб створити одне зображення (звичайна камера зробить це одним клацанням затвора). Але така форма візуалізації дозволить створити зображення, яке камери створити не зможуть, наприклад, в довжинах хвиль світла за межами видимого спектра, які не зможуть вловити звичайні детектори камер.

Ці камери можна використовувати для створення фотографій через туман або густий сніг. Або вони можуть імітувати очі деяких тварин і автоматично збільшувати дозвіл зображення (кількість деталей, яке воно захоплює) в залежності від того, що знаходиться на сцені.

Можна навіть зловити зображення з частинок світла, які ніколи не працювали з об'єктом, який ми хочемо сфотографувати. Таким чином можна було б використовувати ідею «квантової заплутаності» — дві частинки можуть бути заплутані таким чином, що відбувається з однієї миттєво буде відображатися на іншій частці, навіть якщо вони знаходяться на великій відстані один від одного. Можна було б вивчати властивості об'єктів, які змінюються при освітленні. Так, можна було б зрозуміти, як виглядає сітківка ока в темряві (очевидно, не так, як на світлі).

Мультісенсорная візуалізація

Однопиксельная візуалізація — лише одне з простих нововведень, які з'являються в новітніх камерах і спираються на традиційну концепцію створення зображення. Проте в даний час ми спостерігаємо зростання інтересу до систем, які використовують багато інформації, у той час як традиційні методи збирають лише невелику її частину.

Саме тут ми могли б використовувати мультисенсорні підходи, які включають безліч різних детекторів, спрямованих на одну сцену. Телескоп Хаббла був хорошим прикладом того, що це працює, створивши знімки з поєднання безлічі знімків, зроблених на різній довжині хвилі. Але сьогодні ви можете придбати комерційний варіант такої технології, наприклад, втілений у камері Lytro, яка збирає інформацію про інтенсивності світла і напрямку на одному датчику, а потім робить знімки, які можна перефокусувати вже після зйомки.

Камера наступного покоління, ймовірно, буде схожа на камеру Light L16, яка оснащена новітніми технологіями на основі більш десятка різних датчиків. Їх дані об'єднуються за допомогою комп'ютера, щоб створити 50-мегабайтовое, перефокусируемое та повторно масштабоване зображення професійної якості. Сама камера виглядає як інтерпретація камери телефону в стилі Пікассо.

Та це поки що перші кроки до створення камер нового покоління, які змінять наше ставлення до фотографій. Вчені працюють над проблемою зйомки в тумані, крізь стіни і навіть планують заглянути в тіло і мозок людини. Всі ці методи покладаються на суміщення зображень з моделями, які пояснюють, як світло рухається в різних субстанціях.

Ще один цікавий підхід заснований на тому, як штучний інтелект «вчиться» розпізнавати об'єкти даних. Ці методи натхненні процесом навчання, який протікає в мозку людини, і, найімовірніше, будуть грати велику роль в майбутніх системах візуалізації.

Технології з одним фотоном і квантової візуалізацією також поступово визрівають — вони зможуть робити знімки в умовах неймовірно низької освітленості і відео з неймовірно швидкою швидкістю, трильйон кадрів всекунду. Цього достатньо, щоб зняти навіть сам світло, що проходить через сцену.

Деякими з цих програм буде потрібно ще трохи часу для повного розвитку, але тепер ми знаємо, що фізика дозволяє нам вирішувати ці та інші проблеми з допомогою розумного поєднання нових технологій і обчислювальної винахідливості.