Разработан метод совмещения скоростной и высокочёткой съёмки
Съёмка с высоким разрешением и большой частотой кадров обычно требует дорогостоящей аппаратуры, однако учёные нашли способ обойти технологические ограничения. Новая методика, придуманная и апробированная в Оксфорде (University of Oxford), позволяет внутри одного «обычного» кадра совмещать запись качественного изображения с серией снимков, выполненных с высокой скоростью.
Любопытно, что новый принцип съёмки родился в сотрудничестве специалистов с кафедры физиологии, анатомии и генетики и факультета физики. Биологам потребовалось провести запись работы клеток сердца (отражающейся в быстром «мигании» флуоресцентных молекул-маркеров) с высоким разрешением во времени, при этом аппаратуру, удовлетворяющую всем требованиям, достать было проблематично.
Специалисты по «живой материи» не растерялись и со своими идеями пришли к собратьям-физикам. В результате родилась технология, получившая название «Временнoе мультиплексирование пикселей» (Temporal Pixel Multiplexing — TPM) – очень удобная техника, когда некое быстротечное событие нужно запечатлеть одновременно в разных временных масштабах.
Суть её заключается в следующем. Обычная цифровая камера, когда делает один снимок, снимает показания сразу со всех пикселей, записывая в память один кадр с высоким разрешением.
Предельная частота следования таких кадров обусловлена рядом конструктивных особенностей камеры.
При TPM все пиксели матрицы разбиваются на энное число «элементов съёмки», члены которых равномерно распределены по всей площади кадра. За время одной единственной обычной экспозиции TPM-камера выполняет последовательное снятие изображения с этих самых групп пикселей, разведённых между собой во времени.
Для каждого такого набора экспозиция (то есть субкадр) соответственно длится в N раз меньше, чем для всего кадра.
Упрощённый пример матрицы TPM (6 х 6 пикселей).
Различные цвета отражают членов соответствующих групп пикселей и субкадры (иллюстрация Gil Bub et al.).
Если матрица была поделена, к примеру, на 16 групп пикселей, то впоследствии один кадр высокого разрешения можно получить, совместив информацию от всех этих наборов. А если выводить последовательно субкадры, можно получить эффект замедленного движения для перемещающихся быстро объектов.
При этом подвижные предметы будут выглядеть чёткими, а не смазанными, как на обычном снимке.
И если переделанная под TPM камера выполняет 30 полных «классических» кадров в секунду, то «заточенная» под данную технологию программа затем может легко извлечь из её продукции видео, идущее с частотой 480 кадров в секунду (хотя и с разрешением в 16 раз меньшим). Либо обратно совместить эти изображение в одно, но повышенной чёткости. (Тонкости метода, в частности пространственного распределения пикселей и пересчёта кадров, раскрывает статья в Nature Methods).
Так биологи и получили свой «быстрый микроскоп», собрав его вместе с физиками из недорогих компонентов серийных цифровых камер. Учёные не только выполнили желанную съёмку клеток (получив результирующее видео с частотой кадров 250 в секунду от камеры, выполняющей в секунду только 10 обычных снимков), но и испытали свою установку на макросъёмке различных быстродвижущихся предметов с результирующей частотой до 400 кадров в секунду.
Вверху: макроснимок влетающего в кадр с начальной скоростью 3 м/с (а затем тормозящего) мелкого предмета. a – самый обычный кадр высокого разрешения. След от предмета отмечен красным квадратом, на врезке – он же в увеличенном виде. b и c – кадры высокого разрешения, полученные совмещением всех субкадров после выполнения съёмки TPM, отличаются они разной раскладкой групп пикселей.
Видно, что для рассматривания интересующего нас объекта нет особой разницы между классическим и синтезированным снимком. А вот линейка во всех вариантах видна хорошо. d – последовательность отдельных субкадров, раскрывающих зрителю движение летящего тела.Внизу: капля молока, падающая в воду, отснятая TPM-камерой (на врезке), построенной в Оксфорде (фотографии Gil Bub et al., University of Oxford).
Читайте также о других чудесах фото- и видеосъёмки: получении изображения высокой чёткости от единственного пикселя, наведении на резкость уже после съёмки, матрице с прозрачным пикселем, шестимерных снимках, восстановлении потерянной информации об объекте, камере и проекторе удивительно высокого разрешения, ультраскоростной съёмке при помощи 2D-радуги, видящей ткани, невидимой вспышке, «мыльнице» для трёхмерных фото и видео и камере Франкенштейна.
dark
