Plenoptičke 3D fotografije

Kako fotografijama – koje su uvek bile dvodimenzionalne – bilo na papiru ili ekranu dodati i treću, dubinsku dimenziju

Često se kaže da je ljudsko telo najsavršenija mašina. Iako to uzimamo zdravo za gotovo, svaka specifičnost ljudskog tela predstavlja vrhunac dizajna do kojeg se došlo posle više desetina miliona godina evolucije. Zato i ne čudi što i pored ogromnog napretka tehnologije nismo u stanju da napravimo uređaje koji mogu da isprate ili eventualno nadmaše naše sposobnosti. Od brojnih primera za to, ovog puta ćemo se pozabaviti vidom i vizuelnom percepcijom okoline.

Stereoskopija

Pogledajte oko sebe. Iako niko o tome ne razmišlja, fascinantna je količina informacija koju dobijamo iz te jedne slike svoje okoline. Jedna od njih je i percepcija dubine. Zahvaljujući tome što imamo dva oka i što između njih postoji razmak, svetlo odbijeno od objekata na različitim daljinama različito se prelama u svakom oku, te različitost slika dobijenih na svakoj mrežnjači čini osnovu našeg trodimenzionalnog vida. Mozak upoređuje te dve slike i na osnovu razlika utvrđuje udaljenost svakog objekta na slici. Zašto se to ne bi primenilo na dvodimenzionalnim slikama kako bi se stvorili trodimenzionalni prikazi? Stereoskopija nije ništa novo, svako od nas se sreo sa barem jednom od ovih optičkih varki. U primeru na slici potrebno je ukrstiti oči tako da se duplirani prikazi leve i desne fotografije preklope na sredini i mozak će biti prevaren, te ćemo videti trodimenzionalnu sliku. Takve fotografije može svako da napravi tako što će slikati neki objekat sa iste razdaljine, pomerajući fotoaparat toliko da se simulira razmak između naših očiju. Druga mogućnost je gledanje posebne slike kroz naočare sa jednim crvenim i jednim zelenim staklom.

3D kamere

Kamere i fotoaparati koji stvarno mogu da snimaju u tri dimenzije već postoje. Izraelska firma 3DV Systems (www.3dvsystems.com) specijalizovala se za razvoj hardvera i softvera za snimanje u RGBD formatu. Osim kolornih komponenti (RGB), snima se i dubinska komponenta (D), koja daje informaciju o položaju u prostoru svakog piksela na slici. Dubinska komponenta se dobija tako što se ka objektu koji se snima odašilje ravan zid infracrvene svetlosti koji je van vidljivog spektra. Kada udari o objekat, on se odbije unazad, ali iskrivljen u obliku objekta. Deo talasa koji je udario u tačku najbližu objektivu se i prvi vratio nazad. Nedostatak ovog principa jeste što je malog dometa i lako ga ometaju bilo koji drugi izvori infracrvenog zračenja. 3DV Systems je dogurao do četvrte generacije svojih proizvoda, iako su oni još uvek u fazi prototipa. Njihov najnoviji prototip je ZCam, web kamerica rezolucije 1,3 megapiksela koja snima 60 frejmova u sekundi i u stanju je da detektuje dubine do dva centimetra. 3DV Systems primenu svog uređaja vidi u igračkoj industriji i web konferencijama.

Plenoptički fotoaparat

Međutim, tehniku stereoskopije moguće je podići na viši nivo. Džon Veng i Edvard Adelson sa MIT-a su 1992. godine izmislili plenoptički fotoaparat (lat. plenus – pun, potpun). To je uređaj koji koristi niz mikroobjektiva kako bi u jednoj fotografiji snimio četvorodimenzionalno polje svetlosti. Iako zvuči kao nešto iz naučnofantastičnog filma, u pitanju je četvorodimenzionalna funkcija koja opisuje tačku u trodimenzionalnom prostoru, to jest, postoji jedan niz podataka koji je suvišan. Jednostavno rečeno – sa te jedne jedine fotografije, moguće je odrediti položaj u prostoru bilo kog piksela na njoj, bez obzira na razdaljinu.

Inspirisani njihovim radom, istraživači sa univerziteta Stenford su 2005. godine predstavili svoju verziju plenoptičkog fotoaparata. Na čelu tima nalazio se Ren Ng, kome je to bio diplomski rad za doktorat na odseku za kompjutersku grafiku tog univerziteta. Ren Ng je na fotoaparat Contax 645 postavio digitalna leđa Megavision FB4040 koja imaju Kodakov CCD senzor od 16 megapiksela (rezolucije 4000 x 4000 piksela). Fotoaparat je izmenjen utoliko što je između objektiva i CCD senzora postavljen nosač sa oko 90.000 mikroobjektiva (296 x 296), tako da svaki objektiv pokriva oko 180 piksela. Napisan je i poseban softver koji analizira i obrađuje podatke dobijene sa svake grupe piksela. Pošto veliki broj objektiva deli jedan senzor, izlazna rezolucija fotografije znatno je manja od rezolucije senzora.

Pravljenjem jedne fotografije dobija se dovoljno podataka da se ona kasnije digitalno obradi po želji. U praksi, to znači da je moguće proizvoljno menjati otvor blende (’F broj’ – vidi SK 11/2004) i na taj način menjati dubinsku oštrinu. Šta to konkretno znači? Pa, to bi značilo da su vremena traženja fokusa stvar prošlosti. Ukoliko nismo zadovoljni time šta je fokusirano na slici, to možemo veoma jednostavno da regulišemo obradom u odgovarajućem softveru. Nešto slično danas radimo sa balansom bele boje na RAW fotografijama koje beleže sirove podatke dobijene sa senzora fotoaparata.

Druga prednost plenoptičkih fotoaparata jeste pomeranje položaja iz kojeg je fotografija snimljena pomoću softvera. To je moguće zahvaljujući pomeraju svih tih mikroobjektiva i dobijanju informacije o položaju svake tačke u prostoru. Naravno, pomeraj je minimalan, ali ipak dovoljan da regulišemo, recimo, banderu koja se nalazi tačno iza nečije glave i kvari kompoziciju slike.

Ren Ng je posle diplomiranja osnovao firmu Refocus Imaging (www.refocusimaging.com) u želji da komercijalizuje svoj izum koji je nazvao Digital Lens. Kao primer efikasnosti ovog izuma često se koristi fotografija statua iz kampusa univerziteta Stenford, kod kojih se menja dubinska oštrina.

Adobeova plenoptika

Da ovaj koncept ima velike šanse da se komercijalizuje pokazuje konferencija za štampu koju je pred francuskim novinarima pre dva meseca održao Dejv Stori, potpredsednik Interactive Design u Adobeu. On je novinarima pokazao eksperimentalni objektiv sačinjen od 19 manjih objektiva. Taj objektiv je delo Todora Georgijeva, fizičara zaduženog za inovacije u Adobeu, autora mnogih korisnih algoritama u Photoshopu, kao što su opcije Smart Sharpen i Reduce Noise, a učestvovao je i u stvaranju jedne od možda najinovativnijih mogućnosti Photoshopa – Healing Brush. Upravo je koncept Healing Brusha ono što bi Adobe želeo da prenese u svet fotografije, ali na nivou fokusa na slici. Dejv Stori je istakao da Adobe ne želi da se bavi hardverom, već softverom. Objektiv je napravljen samo u eksperimentalne svrhe, kako bi se isprobale mogućnosti alatke čiji je radni naziv Focus Brush i kojom bi se regulisala dubinska oštrina fotografije slikane posebnim objektivom. Zanimljivo je što je za primer korišćena veoma slična (ako ne i identična) fotografija statua sa univerziteta Stenford. Demonstrirane su opcije blagog pomeranja mesta fotografisanja kao i regulisanja dubinske oštrine na delovima slike. Takođe, s obzirom na to da će softver razlikovati različite slojeve dubine fotografije, biće sasvim jednostavno izdvojiti određeni objekat koji se nalazi u bilo kojem planu (na primer, izdvajanje jedne osobe iz fotografije).

Ono što Adobe želi da postigne jeste da gurne industriju napred kako bi plenoptički fotoaparati postali stvarnost. Koncept koji Adobe smatra realnim jeste da će u budućnosti postojati izmenjivi plenoptički objektivi za SLR aparate, uz već postojeće telefoto i širokougaone objektive, pre nego koncept fotoaparata koji je Ren Ng predstavio, a koji podrazumeva promene u samom dizajnu aparata. Adobeova uloga je da razvije softver koji je u stanju da analizira podatke takvih fotografija i pruži korisniku mogućnost da ih obradi.

Moguće primene

Pored pomenutih primena izoštravanja fotografija, rad na razvoju plenoptičkih objektiva omogućio bi napredak i u nekim drugim granama. Jedan od primera su sigurnosne kamere. Na primer, nekoliko osoba u mračnoj ulici obija radnju. Snimila ih je sigurnosna kamera. Međutim, kako odrediti koja od njih da bude u fokusu? Ukoliko je stvar prepuštena automatici, kamera će stalno tražiti fokus, pa ništa neće biti oštro. Ukoliko fiksiramo fokus da bi sve u kadru bilo oštro, treba zatvoriti blendu, a to će rezultovati tamnim i zrnastim snimkom. Ukoliko se koristi plenoptički objektiv, moguće je držati maksimalan otvor blende a kasnije, prilikom gledanja snimka, fokus pomerati po potrebi.

Pre mesec dana NASA je objavila vest da se udružila sa američkom firmom TYZX (www.tyzx.com) koja se bavi razvojem tehnologija za 3D snimanje. Cilj udruživanja je zajednički rad na razvijanju tehnologije koja će Nasinim roverima za istraživanje planeta pomoći da vide u tri dimenzije. Trenutni testovi se vrše na roveru K10, a želja je da se roverima pruži mogućnost da bolje „vide” konfiguraciju terena i moguće opasnosti i prepreke.

• • •

Ono što trenutno predstavlja kamen spoticanja kod plenoptičkih fotoaparata ili objektiva jeste rezolucija senzora. Jednostavno, senzor fotoaparata se istovremeno deli na više objektiva. U Adobeovim testovima korišćen je senzor od 20 megapiksela koji daje pojedinačne izlazne slike rezolucije svega 700 x 700 piksela (oko 0,5 megapiksela). Da bi se dobila izlazna slika velike rezolucije, potrebne su mnogo veće rezolucije senzora nego što su danas. Međutim, svesni brzine kojom se razvija tehnologija, verujemo da će to vreme doći veoma brzo. Krajnje je vreme da proizvođači fotoaparata u svoje uređaje uvedu neke suštinske promene, a ne puko povećavanje rezolucije senzora ili dijagonale displeja. A onda ćemo klikom miša u našem softveru podešavati ne samo balans bele boje i dinamički opseg osvetljenja, već i fokus i ugao fotografija.

Ivan ČABRILO