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复旦大学曾晓洋团队研发五亿级像素云相机打开新“视”界

2019年10月10日 03:01 来源:未知 手机版

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中新网上海新闻9月21日电(龚凡)“从上海中心的合适位置,整个外滩的人流细节都能看得一清二楚。”让复旦大学微电子学院/工程与应用技术研究院教授曾晓洋“夸下海口”的不是望远镜,不是摄像头,而是由其领导的团队自主研发的五亿级像素云相机系统。基于这一系统研发的五亿像素智能视频瞭望相机亮相2019年中国国际工业博览会。
这一团队由复旦大学微电子学院副教授范益波作为图像、智能与电子系统技术负责人,长春光机所研究员黄玮作为光机系统技术负责人,复旦大学微电子学院副研究员荆明娥作为图像算法技术负责人。
目前,先进的单反相机分辨率可达千万像素级别,对图像的刻画已经非常细致。五亿级像素相机拍出照片会是什么样?人眼能分辨的极限像素是1.2亿,五亿级的超高像素意味着相机能捕获极其细致入微的图像细节,即便在能容纳几万人的偌大体育场,拍摄一副全景照片也可以获得每张人脸的清晰图像。如果加上人工智能的助力,这款相机还能进行海量数据人脸等目标的检测与识别,瞬间发现特定目标。
拍得广,看得清,找得准,这款不一般的“高能”相机,或将刷新人们对传统相机的认知。

打破定式,不对焦也能看得清
要使被拍摄物成像清晰,传统相机的聚焦操作是必不可少的关键环节。“看得清和看得广对传统相机来说是一对矛盾,如两千万像素全部分配到一万个人身上,每个人像就只有20个像素,一定无法看清楚人体目标了。”曾晓洋说,既想看得清,又想看得远,还要看得广,在现有的相机条件下,根本就是一个悖论。“但如果相机的像素能达到两亿、五亿或者十亿呢?那么即使是十万个人也能拍得清楚了。”
当下,覆盖地域广、涵盖目标多的高像素照片是怎样产出的呢?后期处理是现行的唯一途径:针对目标物体进行多次拍摄,再依靠后期图像处理与拼接技术将这些单幅图像逐一拼接,合“多”为“一”。但这种方法的劣势显而易见,既费时间(几小时到几天时间),也要消耗大量能量。“比如从高空进行拍摄,现在普遍使用无人机,但无人机的续航时间有限,按照现在的拍摄方式,人们获取超高清晰图像非常困难。”曾晓洋介绍,目前使用的卫星实时导航所依据的路况地图都是靠后期“P”出来的,难度很大,成本极高。
“超远距离拍摄”“超高清细节”“超快速成像”,这三个条件要想同时“成立”,还得从大幅提高相机像素入手。不对焦也能拍得清楚,五亿级像素云相机系统的出现,从技术层面打破了传统拍照的定式规则,实现了“不可能”。

硬件升级,芯片创新实现颠覆性改变
几年前,在军方的资助下,美国研发出世界上第一台亿级像素相机,其运用的“阵列外拼接成像原理”将千万级像素照片进行软件拼接,CMOS图像传感器呈阵列式分布,相互错开、互补排列,最终通过后续软件图像拼接得到完整的大视场超高分辨率视频和图像。但高像素光学镜头的阵列排布大大增加了相机体积。“顺着这个思路,当像素提升到五亿级时,尤其是需要视频图像时,相机系统体积会变得非常大,并且实时视频拼接基本上不可能实现。”曾晓洋认为,这个方案潜力有限,“走不远”。
什么才是“有后劲”“能发展”的思路?经过长时间的研究,曾晓洋团队实现了一种创新性的亿极像素成像技术。“同样还是拼接成像原理,但我们使用了创新的共心复合尺度的光学成像方案,将阵列式的光学成像镜头大幅缩减为‘一’,采用两级分光成像来进行多路CMOS图像传感器成像。”这样,也对分光系统的精度提出了很高要求,不同光路对目标进行成像,如果精度 “差之毫厘”,拼接后图像则“谬以千里”。
除了超高分辨率的照片,对这款高性能的云相机来说,拍同样分辨率的实时视频也“不在话下”。实时视频对相机的计算速度和运行效率都提出了更高的要求:每次成像都是上百张千万级像素的照片高精度无缝拼接而成,而连续视频应该在每秒25帧画面,这相当于在一秒钟之内把拼接成像过程重复至少25次。显然,这种情况下,相机系统的计算量大到人们难以想象的程度。目前,曾晓洋团队研发的三/五亿像素的云相机系统实现了“共心复合尺度光学成像”和“硬件亿级像素实时视频图像拼接”,十亿级及以上像素的云相机系统关键技术也处于攻关状态。

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