רב מפתח

בתחום האופטיקה של הצילום, רַב מִפְתַח (באנגלית: Multi Aperture) הוא טכנולוגיה המאפשרת השגת פריים אחיד המורכב ממספר רב של תמונות.

ברגע צילום תמונה ישנם לעיתים קרובות תנאים לא אידיאלים, לעיתים התאורה חזקה או חלשה מדי, או מטושטשת בגלל זום לא איכותי או תנועת יד ברגע הצילום. באמצעות צילום מספר תמונות של אותו הפריים, לוקחים רק את החלקים ה"נקיים" מכל צילום, וכך יוצרים תמונה אחידה, נקייה משגיאות ובעלת יכולת זום גבוהה.

טכנולוגיה זו נעזרת בשיטות אופטיות ומתמטיות, המציגות תמונה או וידאו שיודעות להתגבר על סוגי רעשים שונים. בזכות שיטות אלו, משקל המצלמה וממדיה לא גדלים באותה מידה כמו בשיטה הקיימת עד היום.

מבוא

Structure of multi aperture camera

מפתח יחיד מורכב מעדשה וחיישן בהתאמה. רב מפתח הוא מערכת המורכבת ממספר רב של עדשות וחיישנים המסודרים בצורה קומפקטית, במערך סימטרי. גודלי הפיקסלים עבור המפתחים נשארים בגודל זהה, וכל מפתח רוכש תמונה שלמה. הרב מפתח בעל יכולות של הגדלת רזולוציה, טווח דינמי וקצב פריימים. כמו כן הוא מסייע בהורדת סוגי רעשים כמו RTS וזרם חושך.

טכנולוגיה

Architecture of multi aperture imaging system

Comparison of (a) multi aperture camera and (b) single aperture counterpart

M פיקסלים מכל מפתח מוצגים כתת-פיקסל, והם מוגדרים כפיקסל גדול שהשטח שלו הוא M פעמים גדול יותר מזה של מפתח רגיל זהה.

עבור התמונה המשוכפלת, כאשר המצלמה של רב מפתח בגודל של N*N, יש לה למעשה N*N*M פיקסלים.

כאשר ישנו מפתח בודד, ניתן לתקן איבוד פוקוס על ידי שימוש במספר עדשות, דבר המגדיל את משקל המצלמה. לעומתו, רב מפתח בעל f-number המחושב באופן סנטתי, מאפשר שמירה על פוקוס, מבלי להגדיל משמעותית את משקל המצלמה.

$f_{s}={f_{0} \over {\sqrt {m}}}$

• $fnumber-f_{o}$של העדשה המקורית
• M-ממספר הפיקסלים עבור תת-פיקסל

במידה שהתמונה המתקבלת היא חשוכה או מוארת יתר על המידה, או שישנם אזורים מתים, נעשות טעויות של אבחון נכון של האור.

באמצעות שימוש ברב-מפתח, אפשר להסיר פיקסלים הרוסים מבלי להשתמש באינטרפולציה, כפי שנעשה במפתח יחיד. ברב-מפתח, ישנם הרבה שונויות (N*N) עבור נקודה בודדת מסוימת של העצמית, וכך אם למפתח יחיד יש פיקסל הרוס, אז הפיקסלים של המפתחים האחרים קיימים בשביל לחשב את ערך פיקסל זה.

שיטת המיצוע הסלקטיבי

Variance calculation in multi aperture camera

בתמונות של רב מפתח, נלקחות N*N צילומים עבור צילום בודד סימולטנית. אף על פי כן, ישנם ערכי פיקסל שונים עבור נקודה מסוימת, בגלל רעשים שונים של מגבר הפיקסל, וה-ADC שנוסף לכל אחד מהם. בכדי להתגבר על הבעיה, מחשבים עבור כל מפתח את השונות שלו.

נוסחת השונות המשוקללת: $S_{m}^{2}={1 \over m^{2}}\sum _{i=1}^{m}\displaystyle \sigma _{i}^{2}$

$(1\leq m\leq N^{2})$.

• m- מספר המפתחים שנבחרו.
• $\displaystyle \sigma _{i}^{2}$-שונות של מפתח בודד.
• $S_{m}^{2}$-שונות משוקללת עבור m מפתחים.

כדי לשקלל עלינו לבצע חישוב של שונות עבור כל מפתח. בתום ביצוע החישובים, מוצאים את המפתחים בעלי השונות הגבוהה, כך פיקסלים בעלי שונות גבוהה ייגרעו אוטומטית. הסלקטיביות בבחירת המפתחים היא המעניקה לו את השם מיצוע סלקטיבי.

רעשים כדוגמת רעש RTS ורעש צילום שנגרם על ידי זרם החושך, בעלי שונות מאוד גדולה. בשיטה זו, המפתחים בעלי שונות גדולה יוסרו, כך שהרעש לא ישפיע.

כפי שניתן לראות בתמונה, כל מפתח מבצע פעולת חישוב שונות, עד M פעמים.

חישוב יחס אות לרעש

עבור מפתח יחיד, כאשר ישנה השפעה של רעש החיישן ורעש שוט, יחס האות לרעש הוא: $SNR_{SA}=20log_{10}{N_{e} \over {\sqrt {N_{e}+{\displaystyle \sigma }_{sensor}^{2}}}}$

• $N_{e}$- מספר האלקטרונים באות
• $\displaystyle \sigma _{sensor}$- השונות של החיישן.

ברב מפתח, היחס המתקבל במיצוע התמונה מ-m מפתחים: $SNR_{MA}=20log_{10}{{\sqrt {m}}\cdot {N_{e}} \over {\sqrt {N_{e}+{\displaystyle \sigma }_{sensor}^{2}}}}$

שילוב בטלפונים החכמים

עם העלייה בתפוצתם של הטלפונים החכמים והתחרות בין היצרנים, עלה הצורך לספק אמצעי צילום קטן ודק יותר. באמצעות שימוש בזוג מצלמות שעובדות בצוותא, תוך שימוש בתצורות שונות של המצלמה, הטלפונים יכולים להגיע לרמות דיוק בזום, הן בצילומי תמונה בודדת בזום אופטי והן בצילומי וידאו.

במצלמות מרובות מפתחים יכולה להתקבל תמונה רחבה, ובמצלמת טלפוטו מתקבלת תחילה תמונת עומק, שניתן לתקנה באמצעות שימוש בפרמטרי כיול. לאחר מכן, התמונה עוברת תיקון אחרון של טשטוש, ולבסוף מתקבלת תמונה מושלמת.

שיטת צילום אנכית

צילום של תמונה או וידאו, גם תחת תנאים קשים של צילום, התמונה מתקבלת באיכות גבוהה. טלפון בעל יכולת זו הוא בעל 2 מפתחים, האחד בעל עדשה עם שדה ראייה רחב, והשני הוא בעל עדשת טלפוטו, עם שדה צר. שילובם מעניק 2 ערכי זום – בדרך כלל פי 1 או פי 2.

מצלמה דקה

במצלמה דקה משמתמשים בשיטת המקופלת. במצלמות בעלות עדשות טלפוטו, נוטות להגדיל את העובי של הטלפון, אך בשיטה זו אפשר לשמור על עובי טלפון של מילימטרים בודדים. שילוב מודול של מצלמות רחבות, ומודול טלפוטו. מצלמת הטלפוטו מעוצבת כך שהאור נכנס דרך פריזמה, שמקפלת את האור, ומובילה אותו דרך קנה העדשות עד להגעה לחיישן המוצב במאונך.

שילוב OIS עם שיטת הקיפול

שיטת OIS ר"ת (optical image stabliztion), מחליף את הקנה של העדשות על שני צירים, לפי תנועה של חיישנים. בשילוב עם השיטה המקפלת, כאשר העדשות מאונכות למשטח המכשיר.

יכולות

• יכולת להתמודד עם מצבי תאורה שונים – חושך או אור גבוה מדי, כך שמעניקים תמונה איכותית.
• יכולת עומק בתמונה.
• שדה ראייה רחב.
• רמת דיוק גבוהה עבור זום גדול.
• תמונה תלת ממדית.

שימושים

1. רכבים אוטונומיים.
2. משקפי מציאות מדומה ומצלמות 360 מעלות.
3. לצורכי מעקב ומצלמות IOT.
4. רחפנים.

ראו גם

• מכ"ם מפתח סינתטי

קישורים חיצוניים

• Multi-Aperture-Based Probabilistic Noise Reduction of Random Telegraph Signal Noise and Photon Shot Noise in Semi-Photon-Counting Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor Image Sensor
• RTS Noise and Dark Current White Defects Reduction Using Selective Averaging Based on a Multi-Aperture System

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

29741831רב מפתח