Неустойчивое положение камеры может давать более чёткие снимки, согласно новому исследованию под руководством инженеров Университета Брауна.
Исследователи показали, что с помощью умного алгоритма камера в движении может создавать изображения более высокого разрешения, чем камера, удерживаемая неподвижно. Новая методика обработки изображений может позволить получать гигапиксельные изображения с помощью обычного оборудования и повысить чёткость научных или архивных фотографий.
«Всем известно, что при дрожании камеры получается размытое изображение, — сказал профессор инженерии и компьютерных наук в Брауне Педро Фельзенцвальб. — Но мы показываем, что изображение, снятое движущейся камерой, на самом деле содержит дополнительную информацию, которую мы можем использовать для повышения разрешения изображения».
Исследование
Исследование было представлено недавно на Международной конференции по вычислительной фотографии и опубликовано на сервере препринтов arXiv.
Цифровые камеры создают изображения, усредняя интенсивность света по массиву пикселей — крошечных квадратов, расположенных в виде сетки. Это устанавливает предел разрешения: детали меньше одного пикселя размазываются по пикселю, а не точно локализуются внутри него. Это приводит к тому, что подпиксельные детали размываются.
Методика, разработанная Фельзенцвальбом и его командой, использует движение камеры для получения подпиксельного разрешения. Когда камера движется, небольшие точки света оставляют следы, пересекающие несколько пикселей. Алгоритм команды использует эти следы в качестве дополнительной информации, чтобы точно определить, где должны были находиться мелкие детали, и реконструирует их на более мелкой сетке. В результате получается изображение сверхвысокого разрешения с детализацией, более чёткой, чем позволяет исходный массив пикселей.
Для исследования учёные опробовали методику, установив обычную камеру на движущийся стенд, что позволило им протестировать свои методы в различных сценариях движения. В некоторых случаях команда делала несколько снимков, слегка перемещая камеру между экспозициями, а затем использовала свой алгоритм для создания единого изображения из нескольких снимков, сделанных камерой между движениями. В других случаях команда перемещала камеру во время каждой экспозиции и реконструировала изображение более высокого разрешения из одного размытого снимка.
В обоих случаях команда показала, что их алгоритм может использовать движение камеры для получения изображений с гораздо более высоким разрешением, чем это было бы возможно без движения.
«Была проведена некоторая теоретическая работа, предполагавшая, что это невозможно, — сказал Фельзенцвальб. — Но мы показываем, что в этих более ранних теориях было несколько предположений, которые оказались неверными. И это доказательство концепции, что мы действительно можем восстановить больше информации, используя движение».
Потенциальные применения
Учёные видят множество потенциальных применений своей методики. Установка с движущимся стендом, подобная использованной для экспериментов, может быть использована для сверхразрешающей архивной фотографии произведений искусства или артефактов, говорят исследователи. Методика также может быть полезна для аэрофотосъёмки с движущегося летательного аппарата.
Команда также видит возможность того, что алгоритм однажды будет работать на коммерчески доступных камерах.
«Существуют системы, в которых камеры используют для устранения размытости при движении, — сказал Фельзенцвальб. — Но никто не пытался использовать это для реального повышения разрешения. Мы показываем, что это определённо можно сделать».
Команда планирует продолжить разработку своей методики и искать партнёров в отрасли, чтобы сделать её доступной для широкой публики в ближайшие годы.
Предоставлено
[Brown University](https://phys.org/partners/brown-university/)
Более ста лет школьники по всему миру узнают, что лёд тает под давлением и от трения. Но оказывается, что это объяснение не совсем верно
Новое исследование, проведённое в Саарском университете, показывает, что лёд становится скользким не из-за давления или трения, а из-за взаимодействия между молекулярными диполями во льду и на соприкасающейся поверхности, например, на подошве обуви.
Работа опубликована в журнале Physical Review Letters. Это открытие профессора Мартина Мюзёра и его коллег Ахрафа Атила и Сергея Сухомлинова опровергает парадигму, установленную почти два века назад братом лорда Кельвина Джеймсом Томпсоном, который предположил, что давление и трение способствуют таянию льда наряду с температурой.
«Оказывается, ни давление, ни трение не играют особенно значительной роли в формировании тонкого слоя жидкости на льду», — объясняет Мюзёр.
Вместо этого компьютерные симуляции команды показывают, что молекулярные диполи являются ключевыми факторами, определяющими формирование этого скользкого слоя, который так часто заставляет нас терять равновесие зимой.
Что такое диполь?
Молекулярный диполь возникает, когда в молекуле есть области частичного положительного и частичного отрицательного заряда, что придаёт молекуле общую полярность, направленную в определённую сторону.
Чтобы лучше понять, что происходит, полезно знать, как устроена структура льда. При температуре ниже нуля градусов Цельсия молекулы воды (H₂O) образуют высокоупорядоченную кристаллическую решётку, в которой молекулы аккуратно выровнены друг с другом, создавая твёрдую кристаллическую структуру.
Когда кто-то наступает на эту упорядоченную структуру, не давление или трение обуви разрушают верхний слой молекул, а ориентация диполей в подошве обуви, взаимодействующих с диполями во льду. Ранее хорошо упорядоченная структура внезапно становится неупорядоченной.
«В трёх измерениях эти диполь-дипольные взаимодействия становятся «фрустрированными», — говорит Мюзёр, ссылаясь на концепцию в физике, где конкурирующие силы мешают системе достичь полностью упорядоченной стабильной конфигурации. На микроскопическом уровне силы между диполями во льду и в материале подошвы обуви нарушают упорядоченную кристаллическую структуру на границе раздела льда и обуви, заставляя лёд становиться неупорядоченным, аморфным и, в конечном итоге, жидким.
Дополнительные открытия
Помимо опровержения почти двухсотлетних представлений, исследование команды также развенчивает ещё одно заблуждение.
«До сих пор считалось, что кататься на лыжах при температуре ниже –40 °C невозможно, потому что просто слишком холодно для образования тонкой смазочной жидкой плёнки под лыжами. Это тоже, оказывается, неверно», — объясняет профессор Мюзёр.
«Дипольные взаимодействия сохраняются при экстремально низких температурах. Удивительно, но жидкая плёнка всё равно образуется на границе раздела льда и лыжи — даже вблизи абсолютного нуля», — говорит Мюзёр.
Однако при таких низких температурах плёнка более вязкая, чем мёд. Мы вряд ли узнаем в ней воду, и кататься на ней было бы практически невозможно, но плёнка всё равно существует.
Для человека, который получил травму из-за того, что поскользнулся и упал зимой, едва ли имеет значение, давление, трение или диполи были виноваты. Но для физики различие имеет решающее значение. Последствия этого открытия исследовательской группы Саарского университета всё ещё разворачиваются, и научное сообщество обращает на это внимание.
Предоставлено
[Saarland University](https://phys.org/partners/saarland-university/)
image resolution.\””,”The study was presented recently at the International Conference on Computational Photography and is posted on the arXiv preprint server.”,”Digital cameras produce images by averaging the intensity of light over an array of pixels—tiny squares arranged in a grid. This sets a resolution limit: Details smaller than a single pixel get smeared out across the pixel rather than precisely located within it. That causes sub-pixel details to be blurred.”,”The technique developed by Felzenszwalb and his team uses camera motion to produce sub-pixel resolution. When the camera moves, small points of light leave tracks that cross multiple pixels. The team’s algorithm uses those tracks as extra information to pinpoint exactly where fine details must have been, reconstructing them on a finer grid. The result is a super-resolution image with detail sharper than the original pixel array allows.”,”For the study, the researchers tested the technique by mounting a conventional camera to a moving stage, which enabled them to test their techniques in various movement scenarios. In some cases, the team took multiple photos while moving the camera slightly between exposures, then used their algorithm to construct a single image from the multiple shots captured by the camera between movements. In other cases, the team moved the camera during each exposure and reconstructed a higher-resolution image from a single motion-blurred shot.”,”In both cases, the team showed that their algorithm could harness the camera motion to produce images with far higher resolution than would be possible without the motion.”,”\”There was some prior theoretical work that suggested this shouldn’t be possible,\” Felzenszwalb said. \”But we show that there were a few assumptions in those earlier theories that turned out not to be true. And so this is a proof of concept that we really can recover more information by using motion.\””,”The researchers envision plenty of potential applications for their technique. A moving stage setup like the one used for the experiments could be used for super-resolution archival photography of artworks or artifacts, the researchers say. The technique could also be useful for photography from moving aircraft.”,”The team also sees a possibility for the algorithm to one day run on commercially available cameras.”,”\”There are existing systems that cameras use to take motion blur out of photos,\” Felzenszwalb said. \”But no one has tried to use that to actually increase resolution. We show that’s something you could definitely do.\””,”The team plans to continue developing their technique and look for industry partners to make it available to the public in the coming years.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tBrown University\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Optics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник