寒露|相机可以没有镜头吗


寒露|相机可以没有镜头吗

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作为一个摄影师,追求更高图片质量的路上,势必伴随着器材的升级,其中镜头占据了主要的开销 。追求更大的光圈、更好的成像质量带来的是更多组透镜的组合,以及更长、更厚的镜头组 。然而在许多新兴的应用场合,相机的大小受到了较大的限制 , 例如可穿戴设备、体内成像、物联网等领域 。镜头作为一般相机中最占体积、重量的元件,自然就成为亟需优化的瓶颈 。
事实上,没有镜头的相机并不少见 。最早记载于《墨经》的小孔成像实验就是一种无镜头相机——针孔相机(pinhole camera) 。
“光之人,煦若射 , 下者之人也高;高者之人也下 。足蔽下光,故成景于上;首蔽上光,故成景于下 。在远近有端,与于光,故景库内也 。”
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一个简易的针孔相机是由遮光板、针孔、图像传感器组成的 。由于针孔尺寸较?。?三维世界中的点发出的光线只会抵达图像传感器上比较小的一个范围 , 以至于看上去仿佛成像是清晰的 。如果针孔过大,不同方向、不同点发出的光线会汇聚到图像传感器的一个点上,成像就会变得模糊 。
针孔相机通过遮光板限定了每个点发出的光入射的方向,但同时也遮挡了大部分的光 。由于光的粒子性以及图像传感器本身的因素,不可避免会引入一些噪声 , 较少的进光量会让噪声更加明显,进而给计算机视觉的应用带来更多挑战 。传统摄像的解决方案就是使用透镜组,让想要对焦的物体发出的光通过透镜组,汇聚到图像传感器上的一个位置,达到清晰成像的目的 。然而引入透镜组不可避免地增大了相机的体积,那么有没有可能不使用透镜呢?
既想保证足够的进光量,又不用体积较大的透镜组,光线一般而言无法汇聚,得到的将是一个模糊的像 。为了能恢复出下游应用可用的图像信息,研究者们希望通过对光线进行编码,也就是让空间中不同位置发出的光线能被分辨出来 。光线调制的过程可以分为主动式(直接对光源进行调制)和被动式(在传感器前添加一层掩膜)[1, 2] 。除了实验室环境中,实际生活中几乎不可能对光源进行控制,因此前者的技术几乎仅用在一些特殊的基于阴影成像的显微镜中 。对于通过给传感器加掩膜的方法,又可以将掩膜分为光照强度调制器和光照相位调制器:前者一片有特定形状挡光片 , 调整不同方向投射到传感器上的光强;后者则是通过叠加不同材料,或是改变厚度、对材料施加电压等方式,让空间中同一点发出的光线经过掩膜的不同位置后拥有不同的相位,到达传感器时产生干涉,再对它们加以区分 。无镜头相机可以极大程度地缩小相机的体积,如下图所示的这一设计[3, 4]基本是所有被动式光线调制的基本框架 。
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说到这里,不得不介绍一个被称为点扩散函数(PSF, Point Spread Function)的概念:点扩散函数描述的是一个光学系统中图像传感器对于空间中点的响应程度,或者直观来说 , 是一个点光源在图像传感器上形成的光斑 。最终形成的图像,就是理想的针孔相机捕捉的图像与点扩散函数的卷积 。
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【寒露|相机可以没有镜头吗】对传统相机而言,点扩散函数越小越好,这样对于不同位置的点光源的分辨能力是最高的;而对于无镜头相机而言,点扩散函数就不是一个点的形状了,而是取决于掩膜的设计 。我们希望最终的点扩散函数对比度应较高(最好是非0即1),且应当在绝大多数区域是0,否则对于每个像素点产生贡献的光线较多,很难求解 。一些常见的无镜头相机的点扩散函数的设计如下图所示 。