Když chtěli detektivové nebo novináři někoho tajně vyfotit v devatenáctém století, schovávali si fotoaparát do klobouku. Později přišly skryté kamery a malé sledovací přístroje připnuté ke košili nebo zabudované do propisky. Dnes je součástí většiny chytrých telefonů foťák, který si rozlišením nezadá s průměrnými kompakty, ale přitom měří v průměru asi centimetr a nikoho to již nepřekvapuje.
Nedávno každopádně vědci z Princetonovy univerzity zašli ve zmenšování fotografických přístrojů ještě o kus dál – vyrobili kamerku malou jako zrnko soli. Aparát mikroskopických rozměrů navíc zachycuje mnohem kvalitnější obrázky než konkurenční miniaturní přístroje. Ukázka je k vidění v článku vydaném v Nature Communications.
Maličký kvádr, který doopravdy připomíná krystalek soli, je pokryt technologií označovanou jako metapovrch. Má na sobě 1,6 milionu cylindrických sloupců, díky nimž foťák zaznamená celé barevné spektrum stejně dobře jako konvenční objektivy, které jsou půlmilionkrát větší než tento přístroj.
K čemu jsou ale zmenšené kamery dobré? Odborníci říkají, že nám mohou pomoci v mnoha různých oblastech. Dají se přimontovat na stejně drobné roboty a zefektivnit jejich orientaci v prostředí. Takoví průzkumníci se mohou vypustit třeba do lidského těla, kde lékařům nafotí nemoc zblízka a neinvazivně vyšetří pacienta zevnitř.
Strojové učení najde i nádor
„Konfigurovat všechny mikrosoučástky, aby dělaly to, co chcete, byla výzva,“ přiznává v tiskové zprávě počítačový expert Ethan Tseng z Princetonovy univerzity v New Jersey, který byl jedním z vedoucích studie. „Dříve jsme nevěděli, jak dát dohromady miliony nanostruktur a postprocesový algoritmus tak, bychom dokázali zaznamenat velkou škálu odstínů z RGB spektra,“ vysvětluje. Malý fotoaparát spojuje schopnosti svého technologicky pokročilého hardwaru s počítačovým zpracováním fotografie, které v reálném čase zlepší kvalitu obrázku.
Algoritmy na úpravu obrazu využívají technik strojového učení, aby fotku doostřily a srovnaly. Výstupy z miniaturních kamer totiž často trpí na deformace a rozmazání obrazu. Za lepší kvalitou fotek z Princetonu tedy nestojí jen miliony tyčinek, ale i použití programu, který automaticky obraz vylepšuje. Úpravou snímků však schopnosti algoritmu rozhodně nekončí. Zvládne třeba rozpoznat konkrétní předmět v zorném poli obrazového snímače fotoaparátu, takže ho lze například vycvičit na hledání nádorů v lidském těle.
Mravenčí práce
Čipy, kde algoritmus pracuje, jsou umístěny na metapovrchu přístroje. Klasickou čočku zde nahrazuje útvar vytvořený ze sloupců. V nejvyšším místě vypoukliny měří tyčinky asi půl milimetru a každý z 1,6 milionu sloupců byl navržen zvlášť tak, aby celek dosahoval co nejlepších výsledků při snímání světla.
Ideální konfiguraci tyčinek počítá softwarový model. Jeden z autorů studie, Shane Colburn, toho dosáhl vytvořením počítačové simulace, která relativně dlouho zkoušela navrhnout interakci různého rozestavění sloupců se světlem, až našla ideální kompozici. Metapovrch je pak tvořen nitridem křemíku, připomínajícím sklo. Jedná se o materiál běžně používaný v elektronice, takže přizpůsobit výrobní proces, známý u čipů, pro vytvoření minikamery nepředstavovalo velkou komplikaci.
Dosavadní mikrokamery zaznamenávaly pokřivený rozmazaný obraz (vlevo). Nový systém nazvaný nano optika dokáže zachytit světlo mnohem přesněji (vpravo). Foto: Princeton University„Význam publikované práce spočívá v dokončení herkulovského úkolu společně navrhnout velikost, tvar a umístění milionů prvků metapovrchu a parametry postdetekčního zpracování pro dosažení požadovaného výkonu,“ uvedl odborník na počítačové zobrazení Joseph Mait ze společnosti Mait-Optik, ačkoli se výzkumu neúčastnil.
Nicméně i tak zatím zůstává technologie v laboratoři - než ji budou moci autoři vypustit na trh, musí projít ještě mnoha úpravami. Dosavadní výsledky každopádně ukazují, že jednou by mělo být možné nafotit skutečně kvalitní obrazy pomocí mikrofotoparátu. Ve hře je i možnost, že se metapovrchem složeným ze světločivných sloupců budou obalovat různé předměty, což promění celou jejich plochu ve foťák. Pak odpadne nutnost instalovat kamery do mobilů a notebooků, jelikož se celé okolí jejich displeje bude moci změnit v čočku, slibuje Felix Heide z Princetonu. „Za nějaký čas budeme sestavovat přístroje úplně jinak než dnes, a metapovrch je toho příkladem,“ dodává.
