Sensor, którego nie da się prześwietlić, może odmienić świat fotografii

Korzystając z tak zwanego aparatu modulo nie da się prześwietlić zdjęć. Jest to możliwe dzięki zmodyfikowaniu elektroniki sterującej dla każdego piksela na matrycy. Rozwiązanie, które powstało w laboratoriach MIT, pozwala tworzyć obrazy typu HDR z jednej tylko fotografii (ujęcia).

Wynalazki inżynierów z MIT często goszczą na łamach naszego serwisu. Opisywane rozwiązania są bardzo praktycznie, lecz zwykle nie na tyle wyjątkowe, by na ich wdrożenie czekać z niecierpliwością. Inaczej mają się sprawy w przypadku sensora światłoczułego, którego nie da się prześwietlić.

Nieprześwietlająca się matryca jest zarazem detektorem światła, dla którego natywnym trybem pracy jest tryb HDR. Nie musimy w tym przypadku wykonywać żadnych dodatkowych ekspozycji i składać obrazów. Do uzyskania pliku HDR wystarczy pojedyncza ekspozycja sceny. Nawet takiej, której kontrast wielokrotnie przekracza możliwości rejestracji przez tradycyjny sensor.

Nie przeszkodzi także ruch fotografowanego obiektu. O ile czas ekspozycji będzie odpowiednio dobrany.

Docenią to fotografowie scen akcji, krajobrazu, producenci kamer do nadzoru technicznego, naukowcy, a także konstruktorzy oczu dla robotów.

Aparat z nieprześwietlającym się sensorem nazwano aparatem modulo. Od działania matematycznego, którego definicja przypomina zasadę działania pojedynczych pikseli w tymże sensorze.

Jak działa aparat modulo?

Pomysł nieprześwietlającego się sensora, a w zasadzie nieprześwietlającego się piksela, jest w gruncie rzeczy bardzo prosty. By go zrozumieć trzeba wiedzieć, że stopień złożoności elektroniki sterującej dla każdego piksela w matrycy wpływa na liczbę zadań jakie piksel może wykonać podczas naświetlania i przy odczycie sygnału.

Inżynierowie z MIT postanowili wykorzystać zmodyfikowaną konstrukcję piksela by zmusić go do resetowania swojej zawartości za każdym razem, gdy osiągniety zostanie poziom saturacji (pełnego naświetlenia). A zarazem do zachowywania informacji o liczbie resetów w trakcie pojedynczej ekspozycji.

Po zresetowaniu, piksel ponownie się naświetla, tak jakbyśmy dopiero rozpoczęli jego ekspozycję.

Dla ciekawskich - konstrukcja piksela w aparacie modulo

Każdy piksel działa niezależnie i może być teoretycznie zresetowany dowolną liczbę razy. Umożliwia to tworzenie obrazów o praktycznie nieograniczonej rozpiętości dynamicznej.

W uproszczeniu, w trakcie odczytu sygnału z matrycy, piksele, które nie uległy ani razu saturacji są traktowane normalnie. Do sygnału z pikseli, które zostały zresetowane, dodawany jest sygnał w pełni naświetlonego piksela pomnożony przez liczbę resetów. Następnie sygnał jest odpowiednio skalowany dla prawidłowej reprezentacji za pomocą konwencjonalnych wyświetlaczy.

Czy tego już nie było?

Gdy mowa o jakimkolwiek przełomowym rozwiązaniu, od razu zapala się nam w głowie lampka ostrzegawcza z pytaniem „Czy ktoś już tego nie proponował wcześniej?”.

Istotnie, idea natywnego HDR zaprzątała głowy konstruktorów od dawna. Już ponad 10 lat temu w aparatach Fujifilm stosowano sensory SuperCCD, z pikselami o różnym rozmiarze, a zarazem różnej efektywnej czułości. W międzyczasie pojawiły się również pomysły sensorów ze zmiennym wzmocnieniem sygnału, zależnie od stopnia naświetlenia. Całkiem niedawno inżynierowie Sony zaproponowali by podzielić piksele matrycy na grupy o różnym czasie naświetlania.

Wszystkie z tych rozwiązań zwiększają dynamikę sensora, jednak w niewielkim stopniu, a co najgorsze kosztem utraty rozdzielczości. Dopiero pomysł aparatu modulo ma szansę wyeliminować wszelkie wady dotychczasowych rozwiązań.

Czy taki sensor trafi do aparatów?

Sensor skonstruowany w MIT jest jedynie wczesnym prototypem. Przeszkody techniczne i niedoskonałość konstrukcji można dość szybko wyeliminować. Lecz nie zmieni to faktu iż konstrukcja pojedynczego piksela jest znacznie odmienna od konstrukcji pikseli w obecnie produkowanych matrycach.

Mamy w tym przypadku znacznie więcej elektroniki sterującej. To znacznie komplikuje budowę piksela. A jednocześnie sprawia, że obecne procesy produkcyjnie należałoby mocno zmodyfikować, a być może zaprojektować całkowicie nowe linie montażowe.

Nie jest to niemożliwe, ale na pewno trochę potrwa. Dlatego nie ma co marzyć, by nieprześwietlający się sensor trafił do aparatów w najbliższej przyszłości. Gdy to nastąpi, najpierw skorzysta z tego rozwiązania branża przemysłowa, a dopiero potem rynek konsumencki.

Mimo to jesteśmy dobrej myśli. Dlaczego? Bo to świetny pomysł i, w przeciwieństwie do programowych sztuczek, bardzo pożądany.

Źródło: MIT