Tiếng Việt
Các mô-đun camera có thể hoạt động mà không cần ống kính không? Sự chuyển mình cách mạng trong hình ảnh tính toán
Tạo vào 2025.11.21
Trong nhiều thập kỷ, chúng ta đã coi đó là điều hiển nhiên rằng máy ảnh cần có ống kính—giống như cách chúng ta giả định rằng ô tô cần có động cơ hoặc điện thoại cần có màn hình. Ống kính từ lâu đã là "con mắt" củacác mô-đun camera, uốn cong ánh sáng để tập trung hình ảnh sắc nét lên cảm biến. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu giả định cơ bản đó không còn đúng nữa? Ngày nay, những tiến bộ trong hình ảnh tính toán, thuật toán AI và vi chế tạo đang chứng minh rằng các mô-đun camera có thể hoạt động mà không cần ống kính—mở ra cánh cửa cho những thiết bị nhỏ hơn, rẻ hơn và linh hoạt hơn, định nghĩa lại những gì công nghệ hình ảnh có thể làm.
Cuộc Cách Mạng Không Thấu Kính: Tất Cả Đều Hoạt Động Như Thế Nào
Các mô-đun camera không ống kính không chỉ loại bỏ ống kính - chúng tái suy nghĩ toàn bộ quy trình hình ảnh. Các camera truyền thống dựa vào ống kính quang học để khúc xạ ánh sáng và tạo ra hình ảnh trực tiếp trên cảm biến. Các hệ thống không ống kính thay thế việc lấy nét vật lý này bằng "lấy nét tính toán": chúng thu thập dữ liệu ánh sáng thô thông qua các cấu trúc quang học thay thế và sử dụng các thuật toán để tái tạo hình ảnh rõ ràng, có thể sử dụng. Dưới đây là ba công nghệ đột phá giúp điều này trở nên khả thi:
1. Hình ảnh mặt nạ lập trình được: Mã hóa ánh sáng động
Một bước đột phá trong công nghệ không ống kính đến từ các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Nam Kinh, những người đã phát triển hệ thống Hình ảnh Không ống kính với Mở khẩu Khu vực Fresnel Có thể lập trình (LIP). Thay vì sử dụng ống kính, LIP sử dụng một mặt nạ có thể lập trình hiển thị các Mở khẩu Khu vực Fresnel Động (FZA) - các mẫu điều chế ánh sáng để thu thập thông tin không gian và tần số.
Hệ thống hoạt động theo hai bước chính: đầu tiên, mặt nạ lập trình được dịch chuyển FZA để thu thập nhiều điểm dữ liệu trường ánh sáng sub-aperture. Sau đó, một thuật toán fusion song song kết hợp các điểm dữ liệu này trong miền tần số để tái tạo hình ảnh độ phân giải cao. Kết quả? Tăng cường độ phân giải 2.5x và cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu 3 dB so với các hệ thống không ống kính tĩnh truyền thống. Ở chế độ động, nó đạt 15 fps—đủ nhanh cho nhận diện cử chỉ thời gian thực và tương tác người-máy—trong khi giảm kích thước mô-đun camera xuống 90%.
2. Phản xạ ánh sáng: Kính như là "Thấu kính vô hình"
Rajesh Menon từ Đại học Utah đã áp dụng một cách tiếp cận khác: sử dụng ánh sáng phản chiếu trong một mảnh kính để thay thế các thấu kính truyền thống. Hầu hết ánh sáng đi qua kính, nhưng một phần nhỏ phản chiếu từ các bề mặt bên trong của nó. Nhóm của Menon đã gắn một cảm biến CMOS vào cạnh của một tấm kính acrylic và dán băng phản chiếu xung quanh tấm kính để giữ lại ánh sáng đang bật này.
Khi ánh sáng chiếu vào kính, cảm biến phát hiện các tín hiệu phản xạ, và các thuật toán học máy chuyển đổi dữ liệu đó thành hình ảnh. Sự thông minh của thiết kế này nằm ở sự đơn giản của nó: chính kính hoạt động như một yếu tố quang học, loại bỏ nhu cầu về bất kỳ thấu kính cong nào. Trong khi các hình ảnh thô thì mờ đối với mắt người, chúng chứa đủ dữ liệu để máy tính có thể trích xuất thông tin quan trọng—hoàn hảo cho các ứng dụng mà ở đó máy móc, chứ không phải con người, là "người xem."
3. Mảng Microlens: Bộ thu ánh sáng mini
Đối với hình ảnh 3D, các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Davis, đã phát triển một mô-đun không ống kính sử dụng một mảng microlens mỏng. Khác với một ống kính cồng kềnh đơn lẻ, mảng này sử dụng 37 ống kính polymer nhỏ (chỉ 12mm đường kính) để thu thập ánh sáng từ nhiều góc độ. Mỗi microlens hoạt động như một điểm nhìn riêng biệt, thu thập thông tin độ sâu mà các thuật toán AI tái tạo thành hình ảnh 3D trong thời gian thực.
Công nghệ này giải quyết một hạn chế lớn của các camera 3D truyền thống: nó hoạt động với một lần phơi sáng duy nhất và tránh việc hiệu chỉnh phức tạp. Mảng nhẹ và linh hoạt rất lý tưởng cho robot, kiểm tra công nghiệp và hệ thống VR/AR—nơi kích thước và tốc độ quan trọng hơn là hình ảnh chất lượng hoàn hảo.
Ứng Dụng Thực Tế: Nơi Máy Ảnh Không Ống Kính Tỏa Sáng
Các mô-đun camera không ống kính không chỉ là những thí nghiệm trong phòng thí nghiệm - chúng đã bắt đầu tìm thấy những ứng dụng thực tiễn trong nhiều ngành công nghiệp, nhờ vào những lợi thế lớn nhất của chúng: kích thước nhỏ, chi phí thấp và độ bền. Dưới đây là các lĩnh vực đang được chuyển đổi:
Công nghệ VR/AR và Thiết bị đeo được
Nút thắt lớn nhất trong các thiết bị VR/AR là không gian—việc thêm một camera truyền thống để theo dõi mắt hoặc điều khiển cử chỉ làm tăng kích thước của tai nghe. Các mô-đun không có ống kính giải quyết vấn đề này: Hệ thống dựa trên kính của Menon phù hợp liền mạch vào các ống kính VR/AR để theo dõi chuyển động của mắt, trong khi việc giảm kích thước 90% của mô-đun LIP của Đại học Nam Kinh khiến nó trở nên hoàn hảo cho các thiết bị đeo nhẹ. Những mô-đun này thêm khả năng hình ảnh mà không làm giảm sự thoải mái hoặc thiết kế.
Hình ảnh y tế
Các ống nội soi truyền thống sử dụng các ống kính dài, cứng có thể gây khó chịu cho bệnh nhân. Các mô-đun không có ống kính đang cho phép phát triển các ống nội soi siêu mỏng, linh hoạt có thể di chuyển trong những không gian chật hẹp trong cơ thể. Kích thước nhỏ gọn của chúng cũng giảm thiểu nguy cơ tổn thương mô, trong khi việc tái tạo hình ảnh bằng tính toán duy trì độ rõ nét mà các bác sĩ cần để chẩn đoán chính xác.
An ninh và Giám sát
Máy ảnh không ống kính mang lại lợi thế ẩn giấu: chúng có thể được tích hợp vào cửa sổ, tường, hoặc các vật dụng hàng ngày mà không bị phát hiện. Các thương hiệu như Hikvision đã ra mắt các camera an ninh "vô hình" sử dụng công nghệ không ống kính, hòa nhập vào môi trường trong khi ghi lại chuyển động và hoạt động. Độ bền của chúng—không có các thành phần ống kính dễ vỡ—cũng làm cho chúng trở nên lý tưởng cho các điều kiện ngoài trời khắc nghiệt.
Ô tô và Robot
Xe tự lái và robot cần các hệ thống hình ảnh nhỏ gọn, đáng tin cậy để điều hướng. Các mô-đun không có ống kính phù hợp với các không gian chật hẹp trong bảng điều khiển xe hoặc cánh tay robot, trong khi độ sâu trường ảnh vô hạn của chúng (một tác dụng phụ của việc không có lấy nét vật lý) giúp phát hiện các đối tượng ở khoảng cách khác nhau. Các mô-đun mảng vi ống kính có khả năng 3D đặc biệt hữu ích cho việc thao tác của robot, cho phép máy móc "nhìn thấy" hình dạng của các đối tượng mà chúng đang xử lý.
Tăng Trưởng Thị Trường: Những Con Số Đằng Sau Cuộc Cách Mạng
Thị trường camera không ống kính đang bùng nổ khi các ứng dụng này ngày càng được ưa chuộng. Vào năm 2020, quy mô thị trường toàn cầu là 25 tỷ USD, và dự kiến sẽ đạt 60 tỷ USD vào năm 2025—tăng trưởng với tỷ lệ CAGR trên 18%. Chỉ riêng tại Trung Quốc, thị trường dự kiến sẽ đạt 21 tỷ USD (150 tỷ RMB) vào năm 2025, được thúc đẩy bởi nhu cầu từ thiết bị điện tử tiêu dùng và thiết bị y tế.
Các nhà sản xuất chính như Hitachi, Teledyne Princeton Instruments và Huawei đang đầu tư mạnh mẽ vào công nghệ này. Ngay cả những ông lớn trong ngành máy ảnh truyền thống như Canon và Sony cũng đang khám phá thiết kế không ống kính để duy trì tính cạnh tranh trong các thị trường thiết bị đeo và IoT. Động lực chính? Chi phí: việc loại bỏ ống kính sẽ loại bỏ một trong những thành phần đắt đỏ nhất của các mô-đun camera, giúp việc chụp ảnh trở nên dễ tiếp cận hơn với nhiều thiết bị.
Thách thức và Con đường Phía Trước
Các mô-đun camera không ống kính vẫn chưa hoàn hảo—chưa phải lúc này. Chúng phải đối mặt với ba thách thức chính mà các nhà nghiên cứu đang gấp rút tìm cách giải quyết:
Đầu tiên, hiệu suất ánh sáng yếu. Không có ống kính để tập trung ánh sáng, các hệ thống không ống kính gặp khó khăn trong điều kiện ánh sáng yếu, dẫn đến hình ảnh bị nhiễu. Những tiến bộ gần đây trong việc khử nhiễu AI, chẳng hạn như phương pháp của EPFL tính đến ánh sáng bên ngoài, đang cải thiện hiệu suất, nhưng cần nhiều công việc hơn cho các môi trường ánh sáng yếu như giám sát ban đêm.
Thứ hai, giới hạn độ phân giải cao. Trong khi công nghệ LIP đạt được những cải tiến ấn tượng về độ phân giải, các mô-đun không ống kính vẫn không thể so sánh với độ chi tiết của các ống kính DSLR cao cấp. Đối với nhiếp ảnh tiêu dùng, điều này có nghĩa là chúng khó có thể thay thế các máy ảnh truyền thống trong thời gian tới - nhưng đối với thị giác máy móc và hình ảnh cơ bản, độ phân giải đã đủ.
Thứ ba, độ phức tạp của thuật toán. Hình ảnh không cần ống kính phụ thuộc vào các bộ xử lý mạnh mẽ để chạy các thuật toán tái tạo. Đối với các thiết bị tiêu thụ điện năng thấp như cảm biến IoT, điều này có thể làm cạn kiệt pin. Các mạng nơ-ron tối ưu hóa và phần cứng hiệu quả hơn đang giải quyết vấn đề này, nhưng hiệu quả năng lượng vẫn là ưu tiên hàng đầu.
Tương lai có vẻ tươi sáng. Khi các thuật toán AI trở nên mạnh mẽ hơn và công nghệ vi chế tạo trở nên rẻ hơn, các mô-đun không ống kính sẽ tiếp tục cải tiến. Các nhà nghiên cứu đã bắt đầu khám phá hình ảnh đa mô hình - kết hợp các hệ thống không ống kính với cảm biến phân cực hoặc quang phổ cho chẩn đoán y tế và phân tích vật liệu. Chúng ta cũng đang thấy sự tích hợp với 5G, cho phép tái tạo hình ảnh theo thời gian thực trên các máy chủ đám mây thay vì các thiết bị cục bộ.
Kết luận: Kết thúc kỷ nguyên ống kính?
Vậy, các mô-đun camera có thể hoạt động mà không cần ống kính không? Câu trả lời là có, và chúng đã vượt trội hơn các hệ thống dựa trên ống kính truyền thống trong các lĩnh vực quan trọng. Công nghệ không ống kính không chỉ là một điều mới lạ; đó là một sự thay đổi mô hình ưu tiên chức năng, kích thước và chi phí hơn là độ trung thực hình ảnh hoàn hảo.
Đối với người tiêu dùng, điều này có nghĩa là các thiết bị nhỏ hơn, giá cả phải chăng hơn với khả năng chụp ảnh tích hợp - từ đồng hồ thông minh theo dõi sức khỏe với các cảm biến không ống kính nhỏ gọn đến các bộ kính VR nhẹ hơn bao giờ hết. Đối với các ngành công nghiệp, điều này có nghĩa là các giải pháp chụp ảnh phù hợp với những nơi mà các máy ảnh truyền thống không thể đến, từ bên trong cơ thể con người đến những không gian chật hẹp của xe tự lái.
Ống kính sẽ không hoàn toàn biến mất—nhiếp ảnh cao cấp và quay video chuyên nghiệp vẫn sẽ phụ thuộc vào ống kính chính xác trong nhiều năm tới. Nhưng đối với hàng tỷ thiết bị hình ảnh không cần ảnh chất lượng bảo tàng, các mô-đun không ống kính đang chiếm ưu thế. Khi hình ảnh tính toán tiếp tục phát triển, chúng ta sẽ sớm ngừng hỏi "Liệu máy ảnh có thể hoạt động mà không cần ống kính không?" và bắt đầu tự hỏi tại sao chúng ta lại cần ống kính ngay từ đầu.
Liên hệ
Để lại thông tin của bạn và chúng tôi sẽ liên hệ với bạn.
WhatsApp
WeChat