美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種“計(jì)算鏡頭”，無論景物遠(yuǎn)近，都能讓整個(gè)畫面保持清晰焦點(diǎn)。這項(xiàng)成果有望改變攝影、智能手機(jī)乃至顯微成像鏡頭的設(shè)計(jì)。相關(guān)論文在2025年國際計(jì)算機(jī)視覺大會(huì)（ICCV）上發(fā)表，并獲得最佳論文榮譽(yù)提名。
利用空間變化自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)生成光學(xué)全聚焦圖像。圖源：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)工程學(xué)院從眼前的花瓣到遠(yuǎn)處的樹林，畫面中每個(gè)細(xì)節(jié)都同樣清晰，這樣的照片是人們多年來夢寐以求的理想。如今，這一愿景正變得可能。
傳統(tǒng)鏡頭只能在一個(gè)平面上精確對(duì)焦，前后景物會(huì)出現(xiàn)模糊。縮小光圈雖能增加景深，卻會(huì)使畫面變暗，并產(chǎn)生由衍射引起的“光學(xué)模糊”。于是，研究團(tuán)隊(duì)想挑戰(zhàn)一個(gè)根本性問題：鏡頭是否必須聚焦在單一平面上？他們設(shè)想，如果鏡頭能“彎曲”焦點(diǎn)，使其適應(yīng)眼前世界的形狀，會(huì)怎樣？
研究團(tuán)隊(duì)提出的“計(jì)算鏡頭”融合了光學(xué)元件與算法控制，能夠讓畫面中不同區(qū)域獨(dú)立對(duì)焦。該設(shè)計(jì)基于一種名為“洛曼鏡”的光學(xué)結(jié)構(gòu)，由兩片彎曲透鏡相對(duì)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)焦距調(diào)節(jié)。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步加入“相位空間光調(diào)制器”，可在像素級(jí)精確控制光線彎曲，使不同深度的景物同時(shí)清晰成像。
這一系統(tǒng)采用了兩種自動(dòng)對(duì)焦方法：第一種是對(duì)比度檢測自動(dòng)對(duì)焦，它將圖像劃分為多個(gè)“超像素”區(qū)域，每個(gè)區(qū)域獨(dú)立尋找能讓自身最清晰的焦點(diǎn)位置；第二種是相位檢測自動(dòng)對(duì)焦，利用“雙像素傳感器”檢測物體是否對(duì)焦，以及焦點(diǎn)應(yīng)向哪個(gè)方向調(diào)整。改進(jìn)后的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)每秒21幀的快速對(duì)焦，即使在動(dòng)態(tài)場景下也能保持清晰。這兩種方法相結(jié)合，相當(dāng)于讓每個(gè)像素都擁有自己的微型可調(diào)鏡頭。
這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊。除攝影外，還能讓顯微鏡一次性捕捉生物樣本的完整層面，幫助自動(dòng)駕駛車輛更清晰地識(shí)別環(huán)境，也可為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)帶來更逼真的深度體驗(yàn)。研究人員表示，這一“計(jì)算鏡頭”代表了一種全新的光學(xué)設(shè)計(jì)理念，未來有望從根本上改變相機(jī)和機(jī)器“看世界”的方式。
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