Nieuwe generatie camera’s kijkt misschien achter muren

De camera in je smartphone herkent gezichten en neemt slow-motionfilmpjes in ultrahoge kwaliteit op. Knap, maar die technologische snufjes zijn nog maar het begin van een grotere revolutie die is ingezet.

Tot voor kort was het onderzoek naar camera’s gericht op het verhogen van het aantal megapixels. Nu verschuift de onderzoeksfocus echter naar hoe computers cameradata kunnen verwerken. En daarmee bedoelen we niet de manier waarop bijvoorbeeld Photoshop effecten en filters aan foto’s toevoegt. We hebben het over een geheel nieuwe benadering waarbij de verzamelde data niet eens lijkt op een afbeelding. Het wordt pas een afbeelding nadat een computer de data verwerkt heeft aan de hand van complexe wiskundige berekeningen en modellen over hoe licht zich verplaatst door de scène of camera.

Deze nieuwe vorm van computerverwerking bevrijdt ons van de beperkingen opgelegd door conventionele beeldvormingstechnieken. Ooit zullen we camera’s zoals we die nu kennen misschien niet meer nodig hebben. In de plaats daarvan zullen we lichtdetectors gebruiken waarvan we een paar jaar geleden nog dachten dat we ze nooit op beeldvormingsprocessen zouden toepassen. En ze zullen tot ongelooflijke dingen in staat zijn. Zo zouden ze door mist, achter muren of binnen in het menselijk lichaam kunnen kijken.

1-pixel-camera’s

Een eerste voorbeeld is de 1-pixel-camera, gebaseerd op een principe dat prachtig is in zijn eenvoud. Conventionele camera’s gebruiken een groot aantal pixels (kleine sensorelementen) om een scène vast te leggen die meestal door een enkele lichtbron verlicht wordt. Maar je kan de zaak ook omdraaien en informatie van verschillende lichtbronnen in één enkele pixel verzamelen.

Daarvoor heb je een gecontroleerde lichtbron nodig, bijvoorbeeld een eenvoudige projector. Die verlicht de scène op één punt per keer of in een serie van verschillende patronen. Voor elk verlicht punt of patroon wordt de hoeveelheid gereflecteerd licht gemeten. Ten slotte wordt alle informatie samengevoegd om het uiteindelijke beeld te vormen.

Er is wel een duidelijk nadeel verbonden aan deze manier van foto’s maken. Je moet immers zeer veel punten verlichten of zeer veel patronen uitsturen om een afbeelding te verkrijgen, terwijl een gewone camera maar één druk op de knop nodig heeft om hetzelfde te bereiken. Maar door deze nieuwe methode is het wel mogelijk om camera’s te bouwen die vroeger onmogelijk waren, bijvoorbeeld een camera die werkt met licht dat buiten het zichtbare spectrum valt.

Dergelijke camera’s zouden gebruikt kunnen worden om foto’s door dichte mist of sneeuwval te maken. Of ze kunnen de ogen van bepaalde dieren nabootsen en de resolutie (de hoeveelheid details) van een foto afhankelijk van de scène automatisch verhogen.

Het is zelfs mogelijk om beelden te vormen met lichtdeeltjes die nooit in aanraking gekomen zijn met het object dat we willen fotograferen. Dat idee is gebaseerd op “kwantumverstrengeling”. Volgens die theorie zijn twee deeltjes met elkaar verbonden; hetgeen dat met het ene deeltje gebeurt, gebeurt dan ook met het andere, ook al zijn ze ver van elkaar verwijderd. Die manier van denken biedt interessante invalshoeken om objecten te bestuderen wiens eigenschappen veranderen als er licht op schijnt, zoals het oog. Ziet het netvlies er bijvoorbeeld hetzelfde uit in het donker als in het licht?

Beeldvorming met meerdere sensoren

Beelden vormen met één pixel is slechts een van de meest simpele innovaties in nieuwe cameratechnologie en is op het eerste gezicht gebaseerd op een traditioneel concept in de fotografie. Maar nu is er een toenemende interesse in systemen die, vergeleken met traditionele technieken, grote hoeveelheden data verzamelen.

Light L16.

Apparaten met meerdere sensoren bijvoorbeeld, richten verscheidene detectoren naar eenzelfde scène. De Hubbletelescoop is daarvan de eerste in zijn soort, en maakt foto’s door meerdere beelden genomen op verschillende golflengtes met elkaar te combineren. En nu is het zelfs mogelijk om de commerciële versie van deze technologie te kopen. De Lytro-camera verzamelt bijvoorbeeld informatie over de intensiteit en richting van licht op dezelfde sensor. Op die manier kan hij foto’s nemen waarvan het focuspunt achteraf nog verlegd kan worden.

De volgende generatie camera’s zal er waarschijnlijk uitzien zoals de Light L16 camera, die baanbrekende technologie en meer dan tien sensors gebruikt. De gegevens afkomstig van die sensors worden dan door een computer samengebracht om een professionele en kwaliteitsvolle foto van 50Mb groot te maken. Daarna kan het focuspunt van de foto nog altijd verlegd worden, of kan er opnieuw ingezoomd worden. De camera zelf ziet eruit als een spannende Picasso-versie van een smartphonecamera.

En dat zijn slechts de eerste stappen in de richting van een nieuwe generatie camera’s. Er wordt ook onderzoek gedaan naar camera’s die door mist, achter muren en zelfs diep in het menselijk lichaam en de hersenen kunnen kijken. Bij al deze technieken worden beelden gecombineerd met wiskundige modellen, die berekenen hoe licht door of rond verschillende substanties beweegt.

Technologieën die met één foton werken en kwantumtechnologieën zijn al zo ver ontwikkeld dat ze foto’s kunnen nemen in omstandigheden met extreem weinig licht. Ze kunnen ook video’s maken aan ongelooflijke snelheden,  met tot wel een triljoen beelden per seconde. Dat zijn er genoeg om vast te leggen hoe het licht zelf over de scène beweegt.

Voor sommige toepassingen is er nog wat tijd nodig om ze volledig te ontwikkelen. Maar de onderliggende fysica zou ons kunnen helpen om deze en andere problemen op te lossen door nieuwe technologie en het vernuft van computers met elkaar te combineren.

Vertaling: Anneleen Huyzentruyt