Tres investigadores de la Universidad Carnegie Mellon en Pittsburgh, Pensilvania, han desarrollado una cámara con una lente especial que enfoca píxeles individuales a diferentes profundidades, asegurando que todo en una foto sea completamente nítido y claro.
Qin Yingsi, Aswin C. Sankaranarayanan y Matthew O’Toole proyecto La investigación sobre el enfoque automático con variación espacial, presentada recientemente en la Conferencia Internacional sobre Visión por Computadora de 2025 en Honolulu, es un avance fascinante en la fotografía computacional con importantes beneficios potenciales para casos de uso donde el enfoque en todo el encuadre es fundamental, incluida la vigilancia, la visión artificial y la microscopía.
A diferencia del enfoque automático tradicional en las cámaras típicas que enfocan una sola profundidad en toda la superficie de la imagen, la cámara con enfoque automático que varía espacialmente desarrollada por los investigadores puede enfocar áreas independientes de píxeles a cualquier profundidad, creando una profundidad de campo de forma libre en lugar de la profundidad de campo plana producida por cámaras y lentes comunes.
Debido a su libre profundidad de campo, una cámara con enfoque automático que varía espacialmente puede asignar su plano focal a cualquier geometría de escena, incluidas escenas con formas diversas y complejas. Siempre que las diferencias de profundidad se puedan asignar al nivel de píxeles, se podrán enfocar.
Los fotógrafos tienen una variedad de formas de lograr enfocar partes más grandes de una escena, pero cada método tiene desventajas. Por ejemplo, el apilamiento de enfoque es una opción popular entre los fotógrafos macro para aumentar la nitidez visible de diferentes planos focales en una imagen, pero esto requiere más de una imagen, a veces docenas o incluso cientos de imágenes. Esto no funciona cuando el sujeto no está estacionario. Otra opción es utilizar una apertura muy estrecha, lo que aumenta la profundidad de campo pero a expensas de la resolución debido a la difracción. además cámara de campo de luzpero los investigadores dijeron que tampoco alcanzaron el umbral de resolución.
La cámara del equipo toma una imagen para aproximarse a la geometría de la escena y luego la siguiente imagen está completamente enfocada. Es «perfecto para entornos dinámicos» porque la imagen anterior determina el enfoque de la siguiente foto. Además, utiliza procesamiento totalmente óptico y no requiere posprocesamiento computacional adicional, otra debilidad de las cámaras de campo luminoso.
«Nuestro diseño utiliza una disposición óptica de lentes Lohmann y moduladores de luz espaciales de fase única para permitir que cada píxel se enfoque a una profundidad diferente. Extendemos las técnicas clásicas de enfoque automático a escenas que varían espacialmente, donde un mapa de profundidad se estima de forma iterativa utilizando señales de contraste y disparidad, lo que permite a la cámara moldear progresivamente su profundidad de campo según la profundidad de la escena», explican los investigadores. «Al obtener ópticamente imágenes de enfoque completo, nuestra técnica avanza con respecto al trabajo anterior en dos formas clave: la capacidad de enfocar toda la escena simultáneamente y la capacidad de mantener la resolución espacial más alta posible».
Aunque la disección de la lente romana (a veces llamada lente de Álvarez) está más allá del alcance de este artículo, es importante comprender que es un dispositivo óptico especializado con enfoque ajustable mediante el movimiento relativo entre dos lentes cúbicas. Sin embargo, esto da como resultado un cambio en el enfoque global (o de la imagen general).
A partir de la investigación sobre lentes Lohmann, el equipo creó una lente Lohmann dividida, una lente computacional que «puede cambiar espacialmente su distancia focal». A alto nivel, las lentes Split-Lohmann pueden enfocar de forma independiente en diferentes planos en diferentes partes del sensor de imagen, gracias al uso de un modulador de luz espacial central (SLM). La cámara crea un mapa de profundidad y luego inclina con precisión el SLM central para enfocar la luz a diferentes distancias.
El prototipo de cámara es la Canon EOS R10, que al igual que otras cámaras sin espejo EOS R de Canon, tiene un sensor CMOS de doble píxel. Dual Pixel CMOS AF es una de las tecnologías de marca registrada de Canon.
Con el enfoque automático de detección de fase tradicional, la cámara mide la luz que incide en el sensor desde dos ubicaciones diferentes, creando dos imágenes diferentes. La cámara mide la diferencia entre las imágenes para calcular qué tan lejos está el sujeto del sensor y luego mueve el elemento de enfoque dentro de la lente en consecuencia para alinear las dos imágenes. En el Dual Pixel CMOS AF de Canon, cada píxel del sensor tiene dos fotodiodos, por lo que cada píxel se puede utilizar tanto para el enfoque automático por detección de fase como para la captura de imágenes, de ahí el nombre «Dual Pixel».
Esta tecnología de detección de fase del plano de la imagen es muy útil para el fotógrafo promedio ya que proporciona un enfoque rápido y buena calidad de imagen. Sin embargo, como han demostrado Qin y sus colegas, la misma tecnología subyacente puede hacer mucho más.
Los sistemas de cámara con enfoque automático que varían en el espacio también se basan en el enfoque automático con detección de contraste (CDAF), que tiene claras ventajas para determinados sujetos y determinadas situaciones, por lo que incluso las cámaras modernas con PDAF emplean la tecnología CDAF para el enfoque automático.
«Por primera vez, podemos enfocarnos automáticamente en cada objeto, cada píxel, al mismo tiempo», dijo Qin.
«Creemos que este nuevo método de obtención de imágenes tiene amplias aplicaciones donde el enfoque es fundamental», concluyeron los investigadores.
Fuente de la imagen: Qin Yingsi, Aswin C. Sankaranarayanan y Matthew O’Toole. El estudio de referencia se publicó recientemente en línea: «Enfoque automático que varía espacialmente«.
