التصوير بالمدى

التثليث المجسم هو أحد تطبيقات التصوير المجسم، حيث تُحدد بيانات عمق البكسلات من البيانات المُكتسبة باستخدام نظام كاميرا مجسمة أو نظام كاميرات متعددة . بهذه الطريقة، يُمكن تحديد عمق النقاط في المشهد، على سبيل المثال، من مركز الخط الواصل بين بؤرتيها. لحل مشكلة قياس العمق باستخدام نظام كاميرا مجسمة، من الضروري أولاً إيجاد النقاط المتناظرة في الصور المختلفة. يُعد حل مشكلة التناظر من أبرز التحديات عند استخدام هذا النوع من التقنيات. على سبيل المثال، يصعب حل مشكلة التناظر لنقاط الصورة التي تقع داخل مناطق ذات كثافة أو لون متجانس. ونتيجة لذلك، لا يُمكن لتصوير المدى القائم على التثليث المجسم عادةً إنتاج تقديرات عمق موثوقة إلا لمجموعة فرعية من جميع النقاط المرئية في الكاميرات المتعددة.

تتميز هذه التقنية بأن القياس يتم بشكل شبه تلقائي، ولا يتطلب ظروف إضاءة خاصة للمشهد. أما التقنيات الأخرى المذكورة هنا، فلا يتعين عليها حل مشكلة التطابق، بل تعتمد على ظروف إضاءة محددة للمشهد.

إذا أُضيء المشهد بسطح ضوئي، فسيتشكل خط منعكس كما يُرى من مصدر الضوء. من أي نقطة خارج مستوى السطح الضوئي، سيظهر الخط عادةً على شكل منحنى، ويعتمد شكله الدقيق على كلٍ من المسافة بين الراصد ومصدر الضوء، والمسافة بين مصدر الضوء ونقاط الانعكاس. من خلال مراقبة السطح الضوئي المنعكس باستخدام كاميرا (غالباً كاميرا عالية الدقة) ومعرفة مواقع واتجاهات كلٍ من الكاميرا ومصدر الضوء، يُمكن تحديد المسافات بين نقاط الانعكاس ومصدر الضوء أو الكاميرا.

من خلال تحريك مصدر الضوء (وعادةً الكاميرا أيضاً) أو المشهد أمام الكاميرا، يمكن إنشاء سلسلة من صور العمق للمشهد. ويمكن تمثيل هذه الصور كصورة ثنائية الأبعاد.

من خلال إضاءة المشهد بنمط ضوئي مصمم خصيصًا، يُعرف بالضوء المهيكل ، يمكن تحديد العمق باستخدام صورة واحدة فقط للضوء المنعكس. يمكن أن يكون الضوء المهيكل على شكل خطوط أفقية ورأسية، أو نقاط، أو أنماط مربعات. منصة الإضاءة هي في الأساس جهاز تصوير ضوئي هيكلي عام، صُمم في الأصل لغرض التقاط الانعكاس .

يمكن قياس العمق باستخدام تقنية زمن الرحلة (ToF) القياسية، وهي تقنية مشابهة للرادار ، حيث تُنتج صورة نطاق مماثلة لصورة الرادار، باستثناء استخدام نبضة ضوئية بدلًا من نبضة تردد لاسلكي. كما أنها لا تختلف كثيرًا عن تقنية الليدار ، إلا أن تقنية زمن الرحلة لا تعتمد على الماسح الضوئي، أي يتم التقاط المشهد بأكمله بنبضة ضوئية واحدة، بدلًا من التقاطه نقطة بنقطة باستخدام شعاع ليزر دوار. تُعد كاميرات زمن الرحلة أجهزة حديثة نسبيًا تلتقط مشهدًا كاملًا ثلاثي الأبعاد باستخدام مستشعر صور مخصص، وبالتالي لا تحتاج إلى أجزاء متحركة. يحقق رادار ليزر زمن الرحلة المزود بكاميرا CCD مكثفة سريعة الفتح دقة عمق دون المليمتر. في هذه التقنية، تُضيء نبضة ليزر قصيرة المشهد، وتفتح كاميرا CCD المكثفة مصراعها عالي السرعة لبضع مئات من البيكوثانية فقط . تُحسب المعلومات ثلاثية الأبعاد من سلسلة صور ثنائية الأبعاد تم جمعها مع زيادة التأخير بين نبضة الليزر وفتح المصراع. ^{[ 1 ]}

من خلال إضاءة نقاط بضوء متماسك وقياس فرق الطور للضوء المنعكس بالنسبة لمصدر الضوء، يُمكن تحديد العمق. وبافتراض أن صورة المدى الحقيقي هي دالة متصلة تقريبًا لإحداثيات الصورة، يُمكن الحصول على العمق الصحيح باستخدام تقنية تُسمى فك الطور. انظر: قياس التداخل الراداري ذي الفتحة التركيبية الأرضية .

يمكن استنتاج معلومات العمق جزئيًا أو كليًا إلى جانب شدة الإضاءة من خلال عملية الالتفاف العكسي لصورة ملتقطة بنمط فتحة مُشفّرة مصممة خصيصًا، ذات ترتيب معقد من الثقوب التي تسمح بمرور الضوء الوارد أو تحجبه. يُحدث الشكل المعقد للفتحة ضبابية غير منتظمة في الصورة لأجزاء المشهد التي لا تقع في مستوى بؤرة العدسة. ويمكن استخدام مدى الضبابية في المشهد، المرتبط بالإزاحة عن مستوى البؤرة، لاستنتاج العمق. ^{[ 2 ]}

من أجل تحديد حجم التشويش (اللازم لفك تشفير معلومات العمق) في الصورة الملتقطة، يمكن استخدام نهجين: 1) إزالة التشويش من الصورة الملتقطة باستخدام تشويشات مختلفة، أو 2) تعلم بعض المرشحات الخطية التي تحدد نوع التشويش.

تعتمد الطريقة الأولى على فك الالتفاف الرياضي الصحيح الذي يأخذ في الاعتبار نمط تصميم الفتحة المعروف؛ إذ يُمكن لهذا الفك تحديد موضع ودرجة تشوّه المشهد بفعل الضوء غير المركز الذي يسقط بشكل انتقائي على سطح الالتقاط، وعكس هذه العملية. ^{[ 3 ]} وبالتالي، يُمكن استعادة المشهد الخالي من التشويش مع تحديد حجم التشويش.

أما الطريقة الثانية، فتستخرج مدى التشويش دون الحاجة إلى استعادة الصورة الأصلية، وبالتالي دون إجراء عملية الالتفاف العكسي. باستخدام تقنية تحليل المكونات الرئيسية (PCA)، تتعلم هذه الطريقة مسبقًا مجموعة من المرشحات التي تحدد كل حجم من أحجام التشويش بشكل فريد؛ ثم تُطبق هذه المرشحات مباشرةً على الصورة الملتقطة، كما في عملية الالتفاف العادية. ^{[ 4 ]} وتتمثل أهم ميزة لهذه الطريقة في عدم الحاجة إلى أي معلومات حول نمط الفتحة المشفرة. ونظرًا لكفاءتها، فقد تم توسيع نطاق هذه الخوارزمية لتشمل مقاطع الفيديو التي تحتوي على أجسام متحركة وقابلة للتشوه. ^{[ 5 ]}

بما أن عمق النقطة يُستنتج من مدى التشويش الناتج عن انتشار الضوء من النقطة المقابلة في المشهد، والذي يصل إلى كامل سطح فتحة العدسة ويتشوه تبعًا لهذا الانتشار، فإن هذه الطريقة تُعدّ شكلاً معقدًا من أشكال التثليث المجسم. إذ يتم أخذ عينة مكانية من كل نقطة في الصورة على امتداد عرض فتحة العدسة.

استُخدمت هذه التقنية مؤخراً في هاتف آيفون X. وقد حاولت العديد من الهواتف الأخرى من سامسونج وأجهزة الكمبيوتر من مايكروسوفت استخدام هذه التقنية، لكنها لا تستخدم تقنية رسم الخرائط ثلاثية الأبعاد.