Polski
Czy moduły kamer mogą działać bez obiektywu? Rewolucyjna zmiana w obrazowaniu obliczeniowym
Utworzono 2025.11.21
Przez dziesięciolecia przyjmowaliśmy za pewnik, że aparaty potrzebują obiektywów—podobnie jak zakładamy, że samochody potrzebują silników, a telefony ekranów. Obiektywy od dawna były "okiem"moduły kamer, wyginając światło, aby skupić ostre obrazy na sensorach. Ale co jeśli to fundamentalne założenie nie jest już prawdziwe? Dziś postępy w obrazowaniu obliczeniowym, algorytmach AI i mikroprodukcji udowadniają, że moduły kamer mogą działać bez soczewek—otwierając drzwi do mniejszych, tańszych i bardziej wszechstronnych urządzeń, które redefiniują to, co technologia obrazowania może zrobić.
Rewolucja bez soczewek: Jak to wszystko działa
Moduły kamer bez soczewek nie tylko usuwają soczewkę - przemyślają cały proces obrazowania. Tradycyjne aparaty polegają na soczewkach optycznych, aby załamać światło i utworzyć bezpośredni obraz na czujniku. Systemy bez soczewek zastępują to fizyczne ogniskowanie "ogniskowaniem obliczeniowym": rejestrują surowe dane świetlne za pomocą alternatywnych struktur optycznych i wykorzystują algorytmy do rekonstrukcji wyraźnych, użytecznych obrazów. Oto trzy przełomowe technologie, które to umożliwiają:
1. Programowalna Maskowanie Obrazów: Dynamiczne Kodowanie Światła
Rewolucjonizująca technologia bez soczewek pochodzi od badaczy z Uniwersytetu Nankin w dziedzinie nauki i technologii, którzy opracowali system bezsoczkowego obrazowania z programowalnym aperturą strefy Fresnela (LIP). Zamiast soczewki, LIP wykorzystuje programowalną maskę, która wyświetla dynamiczne apertury strefy Fresnela (FZA) — wzory, które modulują światło, aby uchwycić informacje przestrzenne i częstotliwościowe.
System działa w dwóch kluczowych krokach: najpierw programowalna maska przesuwa FZA, aby zebrać wiele punktów danych z sub-aperturą pola świetlnego. Następnie algorytm fuzji równoległej łączy te punkty danych w dziedzinie częstotliwości, aby zrekonstruować obrazy o wysokiej rozdzielczości. Rezultat? Wzrost rozdzielczości o 2,5x i poprawa stosunku sygnału do szumu o 3 dB w porównaniu do tradycyjnych systemów bez soczewek z maską statyczną. W trybie dynamicznym osiąga 15 klatek na sekundę — wystarczająco szybko do rozpoznawania gestów w czasie rzeczywistym i interakcji człowiek-komputer — przy jednoczesnym zmniejszeniu rozmiaru modułu kamery o 90%.
2. Odbicie Światła: Szkło jako "Niewidzialna Soczewka"
Rajesh Menon z Uniwersytetu Utah przyjął inne podejście: wykorzystanie odbitego światła w kawałku szkła, aby zastąpić tradycyjne soczewki. Większość światła przechodzi przez szkło, ale mała część odbija się od jego wewnętrznych powierzchni. Zespół Menona przymocował sensor CMOS do krawędzi panelu z akrylowego szkła i wyłożył resztę panelu taśmą odbijającą, aby uwięzić to odbijające się światło.
Gdy światło pada na szkło, czujnik wykrywa odbite sygnały, a algorytmy uczenia maszynowego przekształcają te dane w obrazy. Geniusz tego projektu tkwi w jego prostocie: samo szkło działa jako element optyczny, eliminując potrzebę stosowania jakichkolwiek zakrzywionych soczewek. Chociaż surowe obrazy są rozmyte dla ludzkich oczu, zawierają wystarczająco dużo danych, aby komputery mogły wydobyć kluczowe informacje—idealne do zastosowań, w których to maszyny, a nie ludzie, są "obserwatorami."
3. Układy mikrosoczewek: Miniaturowe kolektory światła
W przypadku obrazowania 3D, badacze z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis opracowali moduł bez soczewki, wykorzystując cienką matrycę mikrosoczewek. W przeciwieństwie do jednej dużej soczewki, ta matryca wykorzystuje 37 małych soczewek polimerowych (o średnicy zaledwie 12 mm), aby uchwycić światło z wielu kątów. Każda mikrosoczewka działa jako indywidualny punkt widzenia, zbierając informacje o głębokości, które algorytmy AI rekonstruują w obrazy 3D w czasie rzeczywistym.
Ta technologia rozwiązuje główną ograniczenie tradycyjnych kamer 3D: działa przy jednym naświetleniu i unika skomplikowanej kalibracji. Lekka, elastyczna matryca jest idealna dla robotów, inspekcji przemysłowej oraz systemów VR/AR—gdzie rozmiar i prędkość mają większe znaczenie niż doskonała jakość zdjęć.
Aplikacje w rzeczywistym świecie: Gdzie kamery bez soczewek błyszczą
Moduły kamer bez soczewek to nie tylko eksperymenty laboratoryjne — już znajdują praktyczne zastosowania w różnych branżach, napędzane swoimi największymi zaletami: małym rozmiarem, niskim kosztem i trwałością. Oto sektory, które są transformowane:
VR/AR i technologia noszona
Największym wąskim gardłem w urządzeniach VR/AR jest przestrzeń — dodanie tradycyjnej kamery do śledzenia ruchu oczu lub kontroli gestów zwiększa objętość zestawów słuchawkowych. Moduły bez soczewek rozwiązują ten problem: system oparty na szkle Menona idealnie wpasowuje się w soczewki VR/AR, aby śledzić ruchy oczu, podczas gdy redukcja rozmiaru modułu LIP Uniwersytetu Nankin o 90% sprawia, że jest on idealny do lekkich urządzeń noszonych. Te moduły dodają możliwości obrazowania bez poświęcania komfortu czy designu.
Obrazowanie medyczne
Tradycyjne endoskopy używają długich, sztywnych soczewek, które mogą być niewygodne dla pacjentów. Moduły bez soczewek umożliwiają ultra-cienkie, elastyczne endoskopy, które poruszają się w wąskich przestrzeniach w ciele. Ich mały rozmiar również zmniejsza ryzyko uszkodzenia tkanek, podczas gdy rekonstrukcja obliczeniowa utrzymuje klarowność obrazu, której lekarze potrzebują do dokładnych diagnoz.
Bezpieczeństwo i Nadzór
Kamery bezobiektywowe oferują przewagę w zakresie dyskrecji: mogą być zintegrowane z oknami, ścianami lub codziennymi przedmiotami, nie będąc wykrytymi. Marki takie jak Hikvision wprowadziły na rynek "niewidzialne" kamery bezpieczeństwa wykorzystujące technologię bezobiektywową, które wtopiają się w otoczenie, jednocześnie rejestrując ruch i aktywność. Ich trwałość — bez delikatnych elementów obiektywu — sprawia, że są idealne do trudnych warunków zewnętrznych.
Motoryzacja i Robotyka
Samochody autonomiczne i roboty potrzebują kompaktowych, niezawodnych systemów obrazowania do nawigacji. Moduły bez soczewek mieszczą się w wąskich przestrzeniach desek rozdzielczych pojazdów lub ramion robotów, podczas gdy ich nieskończona głębia ostrości (efekt uboczny braku fizycznego ogniskowania) pomaga wykrywać obiekty na różnych odległościach. Moduły z mikrosoczewkami zdolne do 3D są szczególnie przydatne w manipulacji robotów, pozwalając maszynom "widzieć" kształt obiektów, którymi się zajmują.
Wzrost rynku: liczby stojące za rewolucją
Rynek kamer bez soczewek eksploduje, gdy te aplikacje zyskują na popularności. W 2020 roku globalny rozmiar rynku wynosił 25 miliardów, a prognozy wskazują, że osiągnie 60 miliardów do 2025 roku - rosnąc w tempie CAGR przekraczającym 18%. Tylko w Chinach rynek ma osiągnąć 21 miliardów dolarów (150 miliardów RMB) do 2025 roku, napędzany popytem ze strony elektroniki użytkowej i urządzeń medycznych.
Kluczowi gracze, tacy jak Hitachi, Teledyne Princeton Instruments i Huawei, intensywnie inwestują w tę technologię. Nawet tradycyjne giganty fotograficzne, takie jak Canon i Sony, badają projekty bez soczewek, aby pozostać konkurencyjnymi na rynkach urządzeń noszonych i IoT. Siła napędowa? Koszt: usunięcie soczewek eliminuje jeden z najdroższych komponentów modułów kamer, co sprawia, że obrazowanie staje się dostępne dla większej liczby urządzeń.
Wyzwania i droga naprzód
Moduły kamer bez soczewek nie są jeszcze doskonałe. Stają przed trzema kluczowymi wyzwaniami, które badacze starają się rozwiązać:
Po pierwsze, słaba wydajność w słabym świetle. Bez soczewki do skupiania światła, systemy bez soczewek mają trudności w warunkach słabego oświetlenia, co prowadzi do szumów w obrazach. Ostatnie postępy w denoisingu AI, takie jak metoda EPFL uwzględniająca zewnętrzne oświetlenie, poprawiają wydajność, ale potrzebna jest dalsza praca w warunkach słabego oświetlenia, takich jak nocna obserwacja.
Po drugie, ograniczenia wysokiej rozdzielczości. Chociaż technologia LIP osiąga imponujące zyski w rozdzielczości, moduły bez soczewek wciąż nie mogą dorównać szczegółowości wysokiej klasy obiektywów DSLR. Dla fotografii konsumenckiej oznacza to, że prawdopodobnie nie zastąpią tradycyjnych aparatów w najbliższym czasie — ale w przypadku wizji maszynowej i podstawowego obrazowania rozdzielczość jest już wystarczająca.
Po trzecie, złożoność algorytmu. Obrazowanie bez soczewek polega na wykorzystaniu potężnych procesorów do uruchamiania algorytmów rekonstrukcji. W przypadku urządzeń o niskim poborze mocy, takich jak czujniki IoT, może to wyczerpywać baterie. Optymalizowane sieci neuronowe i bardziej wydajny sprzęt zajmują się tym problemem, ale efektywność energetyczna pozostaje priorytetem.
Przyszłość wygląda obiecująco. W miarę jak algorytmy AI stają się coraz potężniejsze, a mikroprodukcja staje się tańsza, moduły bez soczewek będą się nadal poprawiać. Naukowcy już badają obrazowanie wielomodalne—łącząc systemy bez soczewek z polaryzacją lub sensingiem spektralnym do diagnostyki medycznej i analizy materiałów. Obserwujemy również integrację z 5G, co umożliwia rekonstrukcję obrazu w czasie rzeczywistym na serwerach w chmurze zamiast na lokalnych urządzeniach.
Wnioski: Koniec ery obiektywów?
Czy moduły kamer mogą działać bez soczewki? Odpowiedź brzmi zdecydowane tak — i już przewyższają tradycyjne systemy oparte na soczewkach w kluczowych obszarach. Technologia bez soczewek to nie tylko nowinka; to zmiana paradygmatu, która stawia na funkcję, rozmiar i koszt ponad doskonałą wierność obrazu.
Dla konsumentów oznacza to mniejsze, bardziej przystępne cenowo urządzenia z wbudowanym obrazowaniem—od smartwatchy, które śledzą zdrowie za pomocą małych sensorów bez soczewek, po zestawy VR, które są lżejsze niż kiedykolwiek. Dla przemysłu oznacza to rozwiązania obrazowe, które pasują tam, gdzie tradycyjne kamery nie mogą, od wnętrza ludzkiego ciała po ciasne przestrzenie samochodów autonomicznych.
Obiektyw nie znika całkowicie—wysokiej jakości fotografia i profesjonalna wideografia nadal będą polegać na precyzyjnych obiektywach przez wiele lat. Ale w przypadku miliardów urządzeń obrazujących, które nie potrzebują zdjęć w muzealnej jakości, moduły bezobiektywowe przejmują kontrolę. W miarę jak obrazowanie obliczeniowe nadal się rozwija, wkrótce przestaniemy zadawać pytanie "Czy aparaty mogą działać bez obiektywów?" i zaczniemy się zastanawiać, dlaczego w ogóle potrzebowaliśmy obiektywów.
Kontakt
Podaj swoje informacje, a skontaktujemy się z Tobą.
WhatsApp
WeChat