Bell Labs: Kamera ohne Objektiv macht immer scharfe Bilder

Gang Huang, Hong Jiang, Kim Matthews und Paul Wilford von Bell Labs haben eine Kamera entwickelt, die ohne Objektiv auskommt und immer scharfe Bilder aufnimmt.

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Blendenmatrix und Sensor der Compressed-Sensing-Kamera (Bild: Bell Labs)

Die Kamera macht nicht eine, sondern zahlreiche Aufnahmen, wobei jedes Mal ein zufälliges Muster von lichtdurchlässigen und undurchlässigen Quadraten auf einem LCD erzeugt wird, das vor dem Sensor liegt. Der Sensor besitzt nur ein Pixel und kann die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau unterscheiden.

Jede dieser Aufnahmen ist zwar für sich unbrauchbar, doch sie stehen miteinander in Beziehung, weil sie die gleiche Szene auf jeweils etwas andere Weise zeigen. Das ist der Schlüssel, um das Motiv per Software zu erzeugen.

Diese Technik wird auch "compressed sensing" genannt, weil nur relativ wenige Messungen erforderlich sind, um die Korrelationen zwischen den Aufnahmen aufzudecken. So entsteht das fertige Gesamtbild als Rekonstruktion der Szene. Seine Qualität steigt mit der Zahl der Messungen an und ist auch abhängig von der Menge der Öffnungen der LCD-Matrix.

Bei einer herkömmlichen Digitalkamera werden hingegen gemessen am Endergebnis viele Informationen zunächst aufgenommen und später beim Komprimieren des Bildes wieder verworfen. Beim hier angewendeten Compressive Sensing wird das Prinzip umgekehrt und nur so viele Daten erfasst, wie für das Endergebnis in etwa erforderlich sind.

Die Beispiele, die mit einem Prototyp aufgenommen wurden, zeigen, wie wenige Messungen notwendig waren, um ein brauchbares Bild zu erzeugen. Die Auflösung des Bildes liegt bei 65.534 RGB-Pixeln. Mit der Ein-Pixel-Kamera wurden einmal 25 Prozent und einmal 12,5 Prozent der theoretisch möglichen 65.534 Aufnahmen mit der Matrix gemacht, um die Szene zu rekonstruieren. Wie lange diese Aufnahmesequenz dauerte, teilten die Forscher nicht mit.

Würden mehrere Sensoren eingesetzt, würden Aufnahmen aus leicht unterschiedlichen Betrachtungswinkeln gewonnen. Damit könnte zum einen die Bildqualität gesteigert und zum anderen die Aufnahmegeschwindigkeit erhöht werden, berichten die Forscher.

Die von Bell Labs entwickelte Technik hat mehrere Vorteile: Zum einen ist das Bild immer scharf gestellt und zum anderen ist so eine Kamera recht preiswert zu produzieren. Der Sensor lässt sich nach Angaben der Forscher im traditionellen CMOS-Prozess herstellen. Die teure und anfällige Optik, die zudem für Verzerrungen und chromatische Aberrationen sorgt, fällt hingegen ersatzlos weg.

Derzeit kann die Kamera nur unbewegte Motive aufnehmen und ist für normale Fotografien damit ungeeignet. Doch die Forscher sind nach einem Bericht der Zeitung MIT Technology Review der Meinung, dass die Technik dennoch praktische Anwendungszwecke vor allem im Sicherheitsbereich bietet, da damit schnell Unterscheide zwischen mehreren Aufnahmen ausgemacht werden können. Auch zur Geschwindigkeitsmessung von sich bewegenden Objekten sei ihr Einsatz denkbar. Sie könnte zudem so konstruiert werden, dass sie auch Licht aus dem nicht sichtbaren Bereich wie zum Beispiel aus dem Infrarotspektrum aufnimmt.

Die Forscher des Bell Labs haben einen wissenschaftlichen Aufsatz zu ihrer Arbeit unter dem Titel "Lensless Imaging by Compressive Sensing" veröffentlicht.