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Fotografie-Innovation:Die flachste Kamera der Welt soll dem Internet das Sehen beibringen

Flatcam

So könnten in Zukunft Fotokameras aussehen.

(Foto: Rice University)
  • US-Wissenschaftler forschen an einem Kameraprinzip, das ohne Objektiv auskommt. Die sogenannte Flatcam ist flacher als eine Kreditkarte.
  • Die Stückkosten sollen nur wenige Cent betragen, wenn die Entwicklung in Serie hergestellt wird.
  • Eingesetzt werden könnte die Kamera im "Internet der Dinge", in der Überwachungstechnik und Mikroskopie.
  • Die Fotos der Prototypen sind erkennbar, die Qualität ist aber noch unterdurchschnittlich.

Fünf Forscher hocken im Universitätslabor um einen Tisch. Ihr Interesse gilt einem schwarzen Mikrochip auf einer grünen Computerplatine, die Konstruktion wirkt improvisiert. Knapp einen Meter davon entfernt liegt eine Plüscheule. Auf einem Bildschirm in der Ecke des Raums erscheint ein pixeliges, aber erkennbares Bild der Eule: ein Foto. Das Forscherteam jubelt, das Experiment war ein Erfolg. Die Szene ist in einem Video zu sehen, mit dem Wissenschaftler der texanischen Rice-Universität ihre neue Entwicklung bewerben wollen. Aber sind sie mit der Erfindung der Fotografie nicht zwei Jahrhunderte zu spät dran?

Schaut man sich das Foto der Eule an, könnte man denken: ja. Da gibt es nichts Besonderes zu sehen. Das Aufregende ist aber nicht das Bild, sondern die Kamera, mit der es gemacht wurde. Die sogenannte Flatcam, an der die Wissenschaftler forschen, hat ungefähr den Durchmesser einer Ein-Cent-Münze und ist flacher als eine Kreditkarte. Der Fotografie-Chip macht auch dann Foto- und Videoaufnahmen, wenn er verbogen wird. Das eröffnet neue Möglichkeiten, und erklärt die Freude der Wissenschaftler.

Die Mikrotechnik könnte bestehende Überwachungskameras ersetzen und sie für Einbrecher quasi unsichtbar machen. Eingenäht in die Dienstkleidung von Polizisten wäre mehr Transparenz über deren Einsätze möglich. Für die mobile Technik der Zukunft, die möglicherweise biegbar sein wird wie das Reflex Smartphone, könnte die Flatcam die Selfies liefern.

Richard Baraniuk, Professor für Computerwissenschaften an der texanischen Rice-Universität und Initiator des Projekts, erklärt den Grundgedanken: "Gewöhnliche Kamerasysteme fangen Licht durch ein Objektiv ein, das in einer gewissen Distanz zum Fotofilm oder der Sensorplatte stehen muss. Je kleiner die Kameras gebaut werden, desto geringer wird der Lichteinfall und letztendlich die Bildqualität." Eine neue Technologie soll diese Einschränkung nun umgehen: Sein Team wolle "Objektive durch Algorithmen ersetzen" und so die Fotografie revolutionieren.

Hunderttausende Fotos werden per Algorithmus zusammengefügt

"Neben der Miniaturform hat die Flatcam den Vorteil sehr geringer Produktionskosten, da wenig Material und keine Montage benötigt werden", sagt Baraniuk. Wenn sie einmal in Serie produziert werde, könnten die Stückkosten im Centbereich liegen.

Die Vorlage für die High-Tech-Entwicklung stamme aus den Anfängen der Fotografie. Schon vor fast 200 Jahren hat Joseph Nicéphore Niépce im Lochkameraverfahren die ersten Fotografien hergestellt - ebenfalls ohne Objektiv. Das Prinzip in Kurzform: Eine Holzkiste wird auf einer Seite mit einem stecknadelgroßen Loch versehen, auf der gegenüberliegenden Innenseite befindet sich das Fotomaterial, anfangs eine Zinnplatte, später Fotofilm. Dieses Material reagiert sensibel auf Licht und verfärbt sich je nach Stärke der Strahlen. Lässt man durch die Öffnung Licht einfallen, trifft es auf das Fotomaterial und projiziert darauf ein Abbild der Realität, das auf dem Kopf steht. Fertig ist das Foto. Niépce brauchte im Jahr 1826 für das erste Exemplar aus seinem Arbeitsraum acht Stunden und eine Distanz von rund einem halben Meter zwischen Loch und Platte.

Die Flatcam-Forscher erfinden die Lochkamera jetzt auf Mikroebene neu. Statt nur eines Lochs gibt es hunderttausende, mikroskopisch kleine Öffnungen auf der einen Quadratzentimeter großen Kunststoffmaske. Die liegt in weniger als einem Millimeter Abstand vor einer Sensorplatine, der digitalen Version des Fotofilms. So entstehen gleichzeitig hunderttausende Fotos, die jeweils nur einen oder zwei Pixel groß sind. Fügt man diese Pixel zusammen, ergibt das vorerst nur ein verschwommenes Bild. Weil der Abstand zwischen Öffnung und Sensor so gering ist, werden die Einfallstrahlen hinter der Maske nicht ausreichend gestreut. Die projizierten Lichtstrahlen sind zu dicht beieinander, um ein realitätsnahes Foto zu erzeugen. Die Wissenschaftler nennen das den Multiplex-Effekt.

"Im Internet of Things wird man per Flatcam kommunizieren"

Der Schlüssel zum erkennbaren Foto ist ein linearer Algorithmus. "Da wir mittlerweile sehr gut verstehen, wie sich Lichtstrahlen verhalten, können wir die dicht beieinander liegenden Informationen präzise dekodieren. Das System glättet sozusagen die einzelnen Aufnahmen und fügt sie zu einem Gesamtbild zusammen", sagt Ashok Veeraraghavan, Assistenzprofessor und Mitglied des Forschungsteams. So entstehen digitale Mosaike mit 0,5 Megapixeln. Auf den bisher produzierten Fotos mit dem Prototypen sind die Objekte gut erkennbar, mehr aber auch nicht. Eine gewöhnliche Laptopkamera erzeugt wahrscheinlich bessere Bilder. Wozu ist die Kamera also gut?

"Die Flatcam soll vorerst nicht die Spiegelreflexkamera ersetzen", sagt Baraniuk. "Wir sehen die Anwendung aktuell vor allem in der visuellen Interaktion zwischen Geräten." Damit meint er das sogenannte Internet der Dinge, die Vernetzung und den Datenaustausch von Geräten und Computern untereinander. Ein Beispiel aus der Lagerhaltung: In die Wand eines Warenregals in einem Schuhladen wird die flache Kamera integriert und filmt den Lagerbestand eines gewissen Modells. Verändert sich der Bestand, leitet sie diese Information automatisch an das Lagerhaltungssystem weiter. Ähnliches kann man den Forschern zufolge zwar jetzt schon machen, aber zu weitaus höheren Kosten als es mit der Flatcam möglich wäre.

Die Entwicklung ist für Baraniuk ein wegweisendes Beispiel für modernen technischen Fortschritt. "Die algorithmische Berechnung wird bei uns sehr früh in den Prozess eingebunden, und als Hauptbestandteil der Sensorik genutzt. Dadurch können wir auf physische Sensorelemente wie das Objetiv verzichten und das Gerät verkleinern", sagt er. Diese Vermischung aus Hard- und Software sei auch in anderen Technologiebereichen zu erwarten.

"Ich will jedem digitalen Gerät Augen hinzufügen"

Das kalifornische Technologieunternehmen Rambus testet unter dem Namen Lenseless Smart Sensor (LSS) eine ähnliche Technologie für die kommerzielle Nutzung. Zum Beispiel in Hochhäusern: Die Kameras werden überall im Gebäude eingesetzt, um Bewegungen von Menschen nachzuvollziehen. So können Lichtschalter und Heizungen effizienter genutzt werden, oder Fahrstühle schon in Bewegung gesetzt werden, wenn eine Person sich erst auf dem Weg zu ihnen befindet. Die Privatsphäre soll durch die eingeschränkte Bildqualität gewahrt bleiben, weil so Gesichter nicht erkannt werden können.

Der LSS-Chefentwickler bei Rambus, Patrick Gill, erklärt zu seinem Ziel, "jedem digitalen Gerät, unabhängig von seiner Größe, Augen hinzuzufügen", sagte er der MIT Technology Review. Besonders der Bereich Augmented Reality (AR) könne durch LSS Fortschritte machen. AR beschreibt Technologien, bei denen virtuelle Elemente in die menschliche Wahrnehmung der Realität einfließen. Das Smartphonespiel Pokémon Go ist das bekannteste Beispiel, auch Google testete mit seiner Datenbrille AR-Technologie, allerdings vergeblich. Mit der Flatcam oder LSS hätte die klobige, auffällige Form der Google Glass womöglich vermieden werden können.

Noch liegt die flächendeckende Anwendung der flachen Kameras in der Zukunft. Wenn es soweit ist, werden die Hersteller auch das Thema Datensicherheit und Privatsphäre berücksichtigen müssen. Denn schwer sichtbare, fast kostenlose Kameras könnten zur weiteren exponentiellen Vermehrung visueller Daten führen. Dann stellen sich die Fragen: Was passiert mit dem ganzen Bildmaterial? Wie wird sichergestellt, dass die Daten nicht in falsche Hände geraten? Jüngste Hacks demonstrieren die Gefahr vernetzter Geräten im Internet der Dinge.

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Die Miniaturkamera kann auch der Krebsbekämpfung dienen

Die Forscher der Rice-Universität testen mittlerweile einen zweiten Prototypen, der Mikroskopbilder liefert. "Das Besondere dabei ist die Anwendung an Lebewesen zu so geringen Kosten", erklärt Veeraraghavan. Mit einem Endoskop könne man die Kamera unter die Haut oder in den Körper von Menschen und Tieren bringen und, wenn nötig, dort für den Kontrollzeitraum auch lassen. Die sogenannte In-Vivo-Mikroskopie sei möglich, da die Flatcam nur wenig Licht benötige und bereits ab einem Objektabstand von 0,01 Zentimetern Bilder liefere. So könnten langfristige Tieruntersuchungen vereinfacht werden. Die Forscher wollen mit der Kamera auch menschliche Zellen untersuchen und hoffen, zur billigen Krebsvorsorge beisteuern zu können.

So klein die Kamera auch werden soll: Ganz auf Hardware wird sie nicht verzichten können. Damit die Flatcam klarere Bilder liefert, muss die Sensorplatte feiner werden, und in diesem Bereich gab es in den vergangenen Jahren keinen großen Fortschritt. Das von US-Institutionen geförderte Forscherteam um Baraniuk berichtet aber von großem Interesse seitens der Unternehmen. Namen dürfe man natürlich nicht verraten, "aber in den nächsten ein bis zwei Jahren wird die Flatcam von unterschiedlichen Organisationen auf Marktreife getestet", behauptet Veeraraghavan. Bis dahin werden die Forscher noch viel Zeit im Labor verbringen, um über kleine Erfolge zu jubeln.

© SZ.de/jab/dd

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