Русский
Могут ли камеры работать без объектива? Революционный сдвиг в вычислительной визуализации
Создано 2025.11.21
На протяжении десятилетий мы воспринимали как должное, что камерам нужны объективы — так же, как мы предполагаем, что автомобилям нужны двигатели, а телефонам — экраны. Объективы давно стали "глазом"камера модули, изгибая свет, чтобы фокусировать четкие изображения на сенсорах. Но что, если это основное предположение больше не верно? Сегодня достижения в вычислительной визуализации, алгоритмах ИИ и микрообработке доказывают, что камеры могут работать без линз — открывая двери для более компактных, дешевых и универсальных устройств, которые переопределяют, что может делать технология визуализации.
Революция без линз: как это работает
Модули безлинзовых камер не просто убирают линзу — они переосмысляют весь процесс получения изображений. Традиционные камеры полагаются на оптические линзы для преломления света и формирования прямого изображения на сенсоре. Безлинзовые системы заменяют эту физическую фокусировку на "вычислительную фокусировку": они захватывают сырые данные света через альтернативные оптические структуры и используют алгоритмы для реконструкции четких, пригодных для использования изображений. Вот три прорывные технологии, которые делают это возможным:
1. Программируемая маска изображений: Динамическое световое кодирование
Изменяющая правила игра в технологии безлинзовой съемки пришла от исследователей Нанкинского университета науки и технологии, которые разработали систему безлинзового изображения с программируемой зонной апертурой Френеля (LIP). Вместо линзы LIP использует программируемую маску, которая отображает динамические зонные апертуры Френеля (FZA) — узоры, которые модулируют свет для захвата пространственной и частотной информации.
Система работает в два ключевых этапа: сначала программируемая маска смещает FZA для сбора множества подапертурных данных светового поля. Затем параллельный алгоритм слияния объединяет эти данные в частотной области для реконструкции изображений высокого разрешения. Результат? Увеличение разрешения в 2,5 раза и улучшение отношения сигнал/шум на 3 дБ по сравнению с традиционными статическими системами безлинзовых масок. В динамическом режиме она достигает 15 кадров в секунду — достаточно быстро для распознавания жестов в реальном времени и взаимодействия человек-компьютер — при этом уменьшая размер модуля камеры на 90%.
2. Отражение света: Стекло как "Невидимый объектив"
Университет Юты, Раджеш Менон, выбрал другой подход: использование отраженного света внутри кусочка стекла для замены традиционных линз. Большая часть света проходит через стекло, но небольшая часть отражается от его внутренних поверхностей. Команда Менона прикрепила CMOS-датчик к краю акриловой стеклянной панели и обклеила остальную часть панели отражающей лентой, чтобы поймать этот отражающийся свет.
Когда свет попадает на стекло, датчик обнаруживает отраженные сигналы, а алгоритмы машинного обучения преобразуют эти данные в изображения. Гениальность этого дизайна заключается в его простоте: само стекло действует как оптический элемент, устраняя необходимость в каких-либо изогнутых линзах. Хотя сырые изображения размыты для человеческого глаза, они содержат достаточно данных, чтобы компьютеры могли извлекать критически важную информацию — идеально для приложений, где "наблюдателями" являются машины, а не люди.
3. Микролинзовые массивы: миниатюрные сборщики света
Для 3D-изображения исследователи из Университета Калифорнии в Дэвисе разработали модуль без линз, использующий тонкую микролинзовую решетку. В отличие от одной громоздкой линзы, эта решетка использует 37 крошечных полимерных линз (всего 12 мм в диаметре), чтобы захватывать свет с нескольких углов. Каждая микролинза действует как отдельная точка зрения, собирая информацию о глубине, которую алгоритмы ИИ реконструируют в 3D-изображения в реальном времени.
Эта технология решает основное ограничение традиционных 3D-камер: она работает с одним экспозицией и избегает сложной калибровки. Легкий, гибкий массив идеально подходит для роботов, промышленной инспекции и VR/AR систем — где размер и скорость важнее, чем идеальные фотографии.
Применение в реальном мире: Где безлинзовые камеры сияют
Модули безлинзовых камер — это не просто лабораторные эксперименты, они уже находят практическое применение в различных отраслях, благодаря своим главным преимуществам: небольшому размеру, низкой стоимости и прочности. Вот сектора, которые претерпевают изменения:
VR/AR и носимые технологии
Наибольшим узким местом в устройствах VR/AR является пространство — добавление традиционной камеры для отслеживания глаз или управления жестами увеличивает размеры гарнитур. Модули без линз решают эту проблему: стеклянная система Menon идеально вписывается в линзы VR/AR для отслеживания движений глаз, в то время как уменьшение размера модуля LIP Нанкинского университета на 90% делает его идеальным для легких носимых устройств. Эти модули добавляют возможности изображения, не жертвуя комфортом или дизайном.
Медицинская визуализация
Традиционные эндоскопы используют длинные, жесткие линзы, которые могут быть неудобными для пациентов. Модули без линз позволяют создавать ультратонкие, гибкие эндоскопы, которые могут проходить через узкие пространства в теле. Их компактный размер также снижает риск повреждения тканей, в то время как вычислительная реконструкция поддерживает четкость изображения, необходимую врачам для точной диагностики.
Безопасность и наблюдение
Камеры без линз предлагают преимущество в скрытности: их можно интегрировать в окна, стены или повседневные объекты, не вызывая подозрений. Такие бренды, как Hikvision, выпустили "невидимые" камеры безопасности, использующие технологию без линз, которые сливаются с окружающей средой, одновременно фиксируя движение и активность. Их прочность — без хрупких линзовых элементов — также делает их идеальными для суровых условий на улице.
Автомобили и робототехника
Автономные автомобили и роботы нуждаются в компактных, надежных системах изображения для навигации. Модули без линз помещаются в ограниченные пространства приборных панелей автомобилей или манипуляторов роботов, в то время как их бесконечная глубина резкости (побочный эффект отсутствия физической фокусировки) помогает обнаруживать объекты на различных расстояниях. Модули с массивами микролинз, способные к 3D, особенно полезны для манипуляции роботами, позволяя машинам "видеть" форму объектов, которые они обрабатывают.
Рост рынка: цифры, стоящие за революцией
Рынок безлинзовых камер стремительно растет, поскольку эти приложения набирают популярность. В 2020 году размер глобального рынка составил 25 миллиардов, и ожидается, что к 2025 году он достигнет 60 миллиардов — с CAGR более 18%. Только в Китае ожидается, что рынок достигнет 21 миллиарда долларов (150 миллиардов юаней) к 2025 году, что обусловлено спросом со стороны потребительской электроники и медицинских устройств.
Ключевые игроки, такие как Hitachi, Teledyne Princeton Instruments и Huawei, активно инвестируют в эту технологию. Даже традиционные гиганты камер, такие как Canon и Sony, исследуют безлинзовые конструкции, чтобы оставаться конкурентоспособными на рынках носимых устройств и Интернета вещей. Движущая сила? Стоимость: удаление линз устраняет один из самых дорогих компонентов камерных модулей, делая изображение доступным для большего числа устройств.
Вызовы и путь вперед
Модули безлинзовых камер еще не идеальны. Они сталкиваются с тремя ключевыми проблемами, которые исследователи спешат решить:
Во-первых, производительность при слабом освещении. Без объектива для концентрации света системы без объектива испытывают трудности в условиях низкой освещенности, что приводит к шумным изображениям. Недавние достижения в области ИИ-денойзинга, такие как метод EPFL, который учитывает внешнее освещение, улучшают производительность, но требуется больше работы для низкоосвещенных условий, таких как ночное наблюдение.
Во-вторых, ограничения по разрешению. Хотя технология LIP достигает впечатляющих приростов разрешения, модули без линз все еще не могут сопоставиться с детализацией высококачественных объективов DSLR. Для потребительской фотографии это означает, что они вряд ли заменят традиционные камеры в ближайшее время — но для машинного зрения и базовой визуализации разрешение уже достаточно.
Третье, сложность алгоритма. Безлинзовая визуализация зависит от мощных процессоров для выполнения алгоритмов реконструкции. Для устройств с низким энергопотреблением, таких как датчики IoT, это может разряжать батареи. Оптимизированные нейронные сети и более эффективное оборудование решают эту проблему, но энергоэффективность остается приоритетом.
Будущее выглядит светлым. Поскольку алгоритмы ИИ становятся все более мощными, а микрообработка становится дешевле, модули без линз будут продолжать улучшаться. Исследователи уже изучают многомодальную визуализацию — сочетание систем без линз с поляризацией или спектральным сенсингом для медицинской диагностики и анализа материалов. Мы также наблюдаем интеграцию с 5G, что позволяет выполнять реконструкцию изображений в реальном времени на облачных серверах вместо локальных устройств.
Заключение: Конец эпохи линз?
Итак, могут ли модули камер работать без объектива? Ответ однозначен: да — и они уже превосходят традиционные системы на основе объективов в ключевых областях. Технология без объектива — это не просто новинка; это парадигмальный сдвиг, который ставит на первое место функциональность, размер и стоимость, а не идеальную четкость изображения.
Для потребителей это означает более компактные и доступные устройства с встроенной визуализацией — от смарт-часов, которые отслеживают здоровье с помощью крошечных сенсоров без линз, до VR-гарнитур, которые ощущаются легче, чем когда-либо. Для отраслей это означает решения для визуализации, которые подходят туда, где традиционные камеры не могут, от внутренней части человеческого тела до узких пространств автономных автомобилей.
Объективы не исчезнут полностью — высококачественная фотография и профессиональная видеосъемка по-прежнему будут полагаться на прецизионные объективы в течение многих лет. Но для миллиардов устройств для съемки, которым не нужны фотографии музейного качества, безобъективные модули становятся доминирующими. Поскольку вычислительная визуализация продолжает развиваться, мы вскоре перестанем задаваться вопросом "Могут ли камеры работать без объективов?" и начнем задумываться, зачем нам вообще были нужны объективы.
Контакт
Оставьте свои контактные данные, и мы свяжемся с вами.
WhatsApp
WeChat