سهنفر محقق در دانشگاه کارنگی ملون در پاینتاون، پنسیلوانیا، دوربینی با لنزی ویژه طراحی کردند که میتواند هر پیکسل را به عمقهای مختلف متمرکز کند و تضمین میکند که تمام عناصر تصویر بهصورت کاملاً واضح و شفاف باشند.
پروژهٔ یینگی چین، اسوین سی. سانکارانارایان و متیو اوتول دربارهٔ فوکوس خودکار متغیر فضایی، که اخیراً در کنفرانس بینالمللی بینایی کامپیوتری 2025 در هونولولو ارائه شد، پیشرفت جذابی در عکاسی محاسباتی است که پتانسیل بزرگی برای کاربردهایی که وضوح در تمام قاب حیاتی است، از جمله نظارت، بینایی ماشین و میکروسکوپی، دارد.
در مقایسه با فوکوس خودکار متداول در دوربینهای عادی که تمام سطح تصویر را به یک عمق ثابت متمرکز میکند، دوربین فوکوس خودکار متغیر فضایی مانند آنچه پژوهشگران ساختهاند، مناطق پیکسلی مستقل را به هر عمقی متمرکز میسازد و بهجای میدان عمق مسطح معمولی، یک میدان عمق آزاد شکل میدهد.
بهدلیل میدان عمق آزاد خود، دوربین فوکوس خودکار متغیر فضایی میتواند صفحهٔ فوکوس خود را به هر شکل صحنهای منطبق کند، حتی صحنههای با اشکال پیچیده و بسیار متنوع. تا وقتی تفاوتهای عمقی در سطح پیکسل قابل نقشهبرداری باشند، میتوانند فوکوس شوند.
روشهای گوناگونی برای عکاسان وجود دارد تا فوکوس را بر بخش وسیعتری از صحنه به دست آورند، اما هر کدام معایبی دارند. به عنوان مثال، ترکیب فوکوس (focus stacking) گزینهای محبوب برای عکاسی ماکرو است تا وضوح قابل مشاهده را در سطوح فوکوسی مختلف تصویر افزایش دهد، اما این کار نیاز به بیش از یک تصویر دارد؛ گاهی اوقات دهها یا حتی صدها تصویر. این روش وقتی سوژه ثابت نیست عملی نیست. گزینهٔ دیگر، استفاده از دیافراگم بسیار باریک است که میتواند عمق میدان را افزایش دهد، اما بهقیمت افت وضوح بهدلیل پراش. همچنین دوربینهای میدان نور وجود دارند، اما این دوربینها نیز بر حسب نظر پژوهشگران از آستانههای وضوح کوتاه میآیند.
دوربین این گروه فقط به یک تصویر برای تقریبزدن به هندسه صحنه نیاز دارد و سپس تصویر دوم بهصورت تمامگاهفوکوس خواهد بود. این دستگاه «برای شرایط پویا مناسب است» زیرا تصویر قبلی فوکوس تصویر بعدی را تعیین میکند. علاوه بر این، از فرآیندهای کاملاً نوری استفاده میکند و نیازی به پردازشهای پسپردازشی محاسباتی اضافی ندارد که یکی دیگر از ضعفهای دوربینهای میدان نور است.
«طراحی ما از ترکیب نوری لنز لوهمن و یک مدولاتور نور فضایی فقط فازدار استفاده میکند تا هر پیکسل بتواند در عمق متفاوتی تمرکز یابد. ما تکنیکهای فوکوس خودکار کلاسیک را به سناریوی متغیر فضایی بسط میدهیم که در آن نقشهٔ عمق بهصورت تکراری با استفاده از نشانههای کنتراست و اختلاف تخمین زده میشود و به دوربین امکان میدهد میدان عمق خود را بهتدریج با عمق صحنه سازگار کند»، محققان توضیح میدهند. «با بهدست آوردن یک تصویر همهگاهفوکوس بهصورت نوری، تکنیک ما در دو جنبهٔ کلیدی پیشرفت میکند: توانایی بههمینزمان آوردن تمام صحنه در فوکوس و توانایی حفظ بالاترین وضوح فضایی ممکن.»
اگرچه بررسی جزئیات لنز لوهمن، که گاهی بهعنوان لنز آلوارز شناخته میشود، خارج از حوزهٔ این مقاله است، مهم است بفهمیم که این یک اپتیک تخصصی است که میتوان با جابهجایی نسبی دو لنز مکعبی، فوکوس آن را تنظیم کرد. با این حال، این کار تغییر فوکوس را بهصورت کلی — یا تمامتصویر — ایجاد میکند.
بر پایهٔ پژوهش دربارهٔ لنز لوهمن، تیم یک لنز Split‑Lohmann ساخت که «میتواند طول کانونی را بهصورت فضایی متغیر کند». در سطح کلی، این لنز میتواند بهصورت مستقل بر روی سطوح مختلف در بخشهای متفاوت حسگر تصویر متمرکز شود بهدلیل بهکارگیری یک مدولاتور نور فضایی مرکزی (SLM). دوربین نقشهٔ عمق را ایجاد کرده و سپس SLM مرکزی را بهدقت برای متمرکز کردن نور در فواصل مختلف میچرخاند.
دوربین نمونهٔ اولیه یک Canon EOS R10 است که همانند دیگر دوربینهای بدونآینهٔ EOS R شرکت کانن، دارای حسگر Dual Pixel CMOS است. Dual Pixel CMOS AF یکی از فناوریهای شناختهشدهٔ کانن است.
در فوکوس خودکار مبتنی بر تشخیص فاز سنتی، دوربین نور وارده به حسگر را از دو موقعیت متفاوت اندازهگیری میکند و دو تصویر متمایز تولید میسازد. اختلاف این دو تصویر برای محاسبهٔ فاصلهٔ موضوع از حسگر استفاده میشود، سپس عناصر متمرکزکننده داخل لنز بهگونهای حرکت میکنند که دو تصویر همراستا شوند. در Dual Pixel CMOS AF کانن، هر پیکسل حسگر دو فتو دیود دارد، بهطوری که هر پیکسل میتواند همزمان برای تشخیص فاز و ثبت تصویر بهکار رود؛ از این رو نام «دو‑پیکسل» برگزیده شده است.
این فناوری تشخیص فاز در سطح تصویر برای عکاسان معمولی مفید است، زیرا فوکوس سریع و کیفیت تصویر خوبی را فراهم میکند. با این حال، همان فناوری زیرساختی میتواند کارهای بیشتری انجام دهد، همانطور که یینگی چین و همکارانش نشان میدهند.
سیستم دوربین فوکوس خودکار متغیر فضایی همچنین بر شناسایی خودکار مبتنی بر کنتراست (CDAF) وابسته است که برای برخی موضوعات و در برخی موقعیتها مزایای خاصی دارد؛ به همین دلیل حتی دوربینهای مدرن با PDAF نیز فناوری CDAF را برای فوکوس خودکار بهکار میگیرند.
یینگی میگوید: «برای اولین بار میتوانیم همهٔ اشیاء، همهٔ پیکسلها را بهصورت همزمان فوکوس کنیم.»
پژوهشگران نتیجه میگیرند: «ما بر این باوریم که این رویکرد نوین در تصویربرداری کاربردهای گستردهای دارد که در آن فوکوس اهمیت اصلی است.»
اعتبار تصویر: یینگی چین، اسوین سی. سانکارانارایان و متیو اوتوول. پژوهش مرجع بهتازگی بهصورت آنلاین منتشر شد: «فوکوس خودکار متغیر فضایی.»