Революция в фотографии: фокус на всем сразу

Представьте себе снимок, где каждая деталь, от ближних до самых дальних объектов, идеально резкая — от лепестка цветка прямо перед вами до деревьев на горизонте. Более века фотографы и инженеры мечтали о достижении такой чистоты изображения.

В прорывном исследовании, способном трансформировать фотографию, микроскопию и даже камеры смартфонов, ученые из Университета Карнеги-Меллона разработали новый тип объектива. Он способен мгновенно фокусировать всю сцену, независимо от расстояния до ее элементов.

Команда, состоящая из Йинси Цинь, студентки аспирантуры по электротехнике и компьютерной инженерии, Асвина Санкаранараянана, профессора электротехники и компьютерной инженерии, и Мэттью Отоула, доцента кафедры компьютерных наук и робототехники, представила свои результаты на Международной конференции по компьютерному зрению 2025 года, получив почетное упоминание за лучшую работу.

Традиционные объективы камер могут фокусироваться только на одной плоскости сцены за раз. Все, что находится перед этой плоскостью или позади нее, становится мягким и размытым. Уменьшение диафрагмы может помочь, но это также затемняет изображение и вносит новую оптическую нечеткость, вызванную дифракцией.

«Мы задаемся вопросом: «Что, если бы объектив мог фокусироваться не на одной плоскости?» — говорит Цинь. — «Что, если бы он мог изменять фокус, чтобы соответствовать форме мира перед ним?»

Исследователи разработали «вычислительный объектив» — гибрид оптики и алгоритма, способный настраивать фокус для каждой части сцены индивидуально. Система основана на конструкции, известной как объектив Лохманна, который использует два изогнутых кубических линзовых элемента, смещающихся друг относительно друга для настройки фокуса. Комбинируя эту установку с фазовым пространственным модулятором света — устройством, которое контролирует, как свет изгибается на каждом пикселе, — исследователям удалось добиться одновременной фокусировки различных частей изображения на разных глубинах.

Система использует два метода автофокусировки. Первая — это контрастная автофокусировка (CDAF), которая делит изображение на области, называемые суперпикселями. Каждая область независимо находит настройку фокуса, максимизирующую ее резкость. Вторая — это фазовая автофокусировка (PDAF), которая использует датчик с двумя пикселями для определения не только того, находится ли объект в фокусе, но и в каком направлении нужно корректировать. Это делает систему быстрее и лучше подходящей для движущихся сцен — команда достигла 21 кадра в секунду с модифицированным датчиком.

«Вместе они позволяют камере решать, какие части изображения должны быть резкими — по сути, давая каждому пикселю свой крошечный, регулируемый объектив», — объясняет Отоул.

Помимо очевидной привлекательности для фотографов, эта технология может иметь широкие применения. Микроскопы смогут одновременно фиксировать в фокусе каждый слой биологического образца. Автономные транспортные средства смогут видеть окружающую среду с беспрецедентной четкостью. Системы дополненной и виртуальной реальности также могут выиграть, используя аналогичную оптику для создания более реалистичного восприятия глубины.

«Наша система представляет собой новый тип оптической конструкции, — говорит Санкаранаянан, — который может фундаментально изменить способ видения мира камерами».