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  【本文最后更新时间:年月日】

  作为计算光学成像领域个重要分支,随着近年来光场相机发展,光场成像得到越来越多关注【文以光场成像为话题,通俗地讲述光场成像历史与发展。

  光场成像专栏:

  光场成像历史与发展

  光场可视化与重聚焦原理

  、什么殊场

  电场和磁场作为中学时期就学过物理概念,其模型早已深入我们心中▲“场”作为个常见概念(例如电场、磁场、引力场、温度场等),可以理解为物理量在空间中分布状态。因此,光场就可以理解为光在空间中分布状态。相比于电场与磁场,光场听上去相对陌生,像近些年来才提出概念,实际上,光场跟电场和磁场差不多同个时代产物。说到这里,就不得不提起位著名物理学家——迈克尔·法拉第(Michael Faraday)。

  法拉第主要成就包括()发现电场与磁场联系,提出电磁感应学说;()提出磁力线假说;()发现电解定律;()发现“苯”等物质▲在他篇文章《Thoughts on Ray Vibrations》中,他首次提出“光应当被诠释为场(Light should be interpreted as a field)”论断。“光场”这概念就此诞生。

  非常遗憾,法拉第位实验物理学家,他数学功底相比于刨、爱因斯坦等理论物理学家来说还弱截,这也就导致虽然他能够发现电场与磁场联系,但这些论断往往缺乏严谨数学表达与理论推导。数学这短板也在很大程度上拉低法拉第历史地位,否则如果他能够凭借己之力从设计实验发现物理现象到推导归纳物理规律,建立起经典电磁学大厦,那肯定就会和刨、爱因斯坦并称为物理学界三巨头”然,历史没有如果,不过法拉第研究还后继有人,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)就很好地继承和发展法老师研究成果。

  与法拉第不同,麦克斯韦数学功底还相当过硬,其主要成就包括()建立麦克斯韦方程组;()创立经典电动力学;()预言电磁波存在;()提出光电磁说。其中,麦克斯韦方程组深刻地揭示电场与磁场转化规律,完美地将二者融为体,被评为历史上最优美十大方程之。作为当时后起之秀,麦克斯韦于法拉第提出光场假设年后,初步建立光场数学模型,带动世纪上半叶光场理论发展。

  二、光场建模

  格尔顺(A. Gershun)于年对光场进行建模 []。后来被Adelson等人总结和发展为用个维函数简洁地表达光线在空间中分布,即全光函数 []。简单来说,光场描述空间中任意点向任意方向光线强度。因此,维全光函数包含维度信息有空间位置(x, y, z)、光线方向(Θ, Φ)、波长(λ)和时间(t),全光函数可以通过下面三幅图来进行个直观理解:

  ()空间中任意点观察方向可以理解为被观察者捕获光线方向,可以由球坐标系中两个角度值(Θ, Φ)来表示

  ()当光线加入波长信息λ后,获取图像便拥有颜色,观察时刻可以由时间t来表征,则光线记录过程具有动态性

  ()通过遍历空间中每个观察位置(Vx,Vy,Vz)可以记录和表示这个空间中光线分布状态,即为光场。

  虽然全光函数总共有维,但在实际应用中,光波长和时间两个维度信息通常通过RGB通道和不同帧来表示。因此若想记录光场,只要关注光线方向信息和位置信息就可以。这样,光场维度就从全光函数维降到后来维。

  格尔顺在年指出,可以使用微积分和解析几何理论来处理光场。遗憾,由于当时记录捕捉光场设备缺乏以及计算能力不足,格尔顺提出光场理论很难进步被研究,从而使得光场研究经历较长时间停滞。直到计算机和数码相机出现,光场研究才有转机。世纪年代,斯坦阁学Levoy教授(原谅我这个名字不太会音译,莱沃依?勒沃埃?)等人开始进行光场研究,他认为维光场中还有定冗余,由于光线在传播过程中能量敝不变,因此光场可以在自由空间中简化为维。Levoy等人进而提出著名光场双平面模型[],为下步光场理论广泛应用奠定重要基础。

  光场双平面模型通过记录条光线穿过两个平行平面坐标(维信息)就可以表示此光线位置与方向。注意到这样虽然进步降低维度、简化处理,可却具有定局限——在实际中,两个平面都不无限大(即使无限大也只能描述半空间),光场可以描述范围被两个平面有效面积限制住。事实上,人们研究光场更多也对空间中某个局部区域光线分布感兴趣,并不会去追求研究整个空间中光线分布,因此维双平面模型具有很大实用价值。这里呢,我们详细讲述下光场双平面模型具体含义。

  这里有两个平面,uv平面为镜头中心所在平面,相机阵列中不同位置相机就对应这uv平面上不同采样点,由于每个相机拍摄到图片存在视差,可以从不同角度来对物体进行观测,因此我们称uv平面上采样密集程度为角度分辨率;xy平面成像平面,用来描述光线在传感器上采样。这里需要注意点就,在实际系统中,传感器空间位置在镜头所在平面之后,但由于传感器上般成倒像,不利于分析,光场双平面模型将传感器平面对称翻到镜头平面之前,从而平面上点可以直观理解为相机最终所成像,更容易分析理解~感器平面反映单个相机捕捉到某个视角采样,其密度用空间分辨率来表示,也就我们常说图像分辨率。

  三、光场相机

  基于光场双平面模型,斯坦阁学Levoy团队先后研制出用于记录光场单相机扫描台与阵列式光场相机[]。

  ?扫描式光场相机主要通过扫描台来不断变换单个相机位置而获取场景中物体向不同方向发出光线,由于可以通过扫描台来精确控制相机移动位移,从而可以精确地控制和调整等效“相机阵列”中相机之间距离,成本相对比较低廉,用于原理验证十分方便~这样结构具有个致命缺点,就殊场获取过程持续时间过长,以至于在变换相机位置进行拍摄过程中必须要要求场景敝不变,从而仅能针对静态场景进行拍摄,极大地限制实用性。相比之下,阵列相机可以通过安装在不同位置相机同时曝光来瞬间获取场景光场采样,其并行采样机制相对于扫描式光场相机串行采样来讲个较大改进。然而限制其走向应用另外大障碍它体积——这款阵列相机实在太大,在实验室摆弄下做个实验还可以,外出游玩拍摄还派不上用场。

  时间来到世纪年。 当时还在斯坦阁学(没错,又斯坦阁学)跟随Levoy教授攻读博士学位吴义仁(英文名字Ren Ng,不知道为啥音译为吴义仁)也意识到这个问题,他在他博士论文[]中设计款新式光场相机,采用“微透镜阵列”结构。这种结构可以将进入相机光线分为不同方向,从而也可以获得具有定范围视角差异当前场景多幅图像。这篇博士论文获得美国ACM学会优秀博士论文々士毕业后,吴义仁开创Lytro公司,先后推出Lytro I、Lytro II 两款商业级手持式微透镜型光场相机[]。

  ?Lytro相机对光场相机普及做很大贡献,其“先拍照后聚焦”理念也让人眼前亮。然而Lytro相机自面世以来却直不温不火,并没有在摄像领域带来人们期待类似于“胶卷相机—>数码相机”那样大变革。就算现在出去旅游,人们拍照更多使用手机或者单反相机,很少见到用光场相机拍风景。这主要由于该款光场相机仍有其不足之处——除功能实用性较低、使用复杂度较高等因素之外,拍摄图像分辨率较同价位单反相机更低其面临最主要问题。为获取来自不同视角光线,阵列式光场相机在不同位置安装彼此相互独立子相机,而微透镜型光场相机将光场获取集成在个相机之中,传感器总像素数不变,则势必要牺牲图像分辨率来提升角度分辨率(获取不同角度光线能力)。举例说明,原来*分辨率需要变成*个*子图像,即使光场相机拥有系列高端功能,消费者往往更加看重最基本性能。因此Lytro将自己定位在中高端相机并没有最大化地扬长避短,又因为算法层面上也还没有做很完美,才导致现在局面。如何有效地利用光场相机所捕获当前场景子图像,提高分辨率、开拓新功能,仍然当今学术圈光场成像领域研究热点问题。

  不过光场相机探索仍未结束,光场相机同专业单反相机相比还有定劣势,但随着智能手机发展与普及,微型摄像头工艺与质量也在不断改进,各大手机生产厂商都在尝试将光场获取能力作为智能手机新产品项功能,比如各大品牌使用手机双摄甚至三摄,就简化光场相机。

  年,Pelican Imaging 公司研制用于手机计算成像系统 PiCam[]∶系统由 × 个摄像头阵列组成,每个摄像头只采集种颜色,通过颜色合成形成彩色图像,提升图像细节展现能力~该系统摄像头共用个 CMOS 探测器,限制最终合成孔径大小和系统总像素数量。

  近些年美国 Light 公司研制 L 计算成像相机[],该相机大小与手机类似,能够合成张 万像素图像”然本文介绍光场相机只具有代表性些,仍然有很多类型成像体制(比如编码孔径式光场相机)与光场相机(比如RayTrix光场相机)在这里没有作介绍,感兴趣读者可以参考G.Wu等人于年发表光场成像综述论文[]。

  四、展望

  从“法老”提出光场概念到现在也已经有百多年,但殊场成像领域还有很多关键问题没有得到很好解决,这也导致光场相机或者基于光场些技术(比如虚拟现实VR)发展遇到瓶颈』过随着代代学者不懈努力,在不远未来,光场成像技术定会以各种方式造福于人类生活。

  参考文献:

  []?Gershun A. The light field[J]. Journal of Mathematics and Physics, , (-): -.

  []?Levoy M, Hanrahan P. Light field rendering[C]//Proceedings of the rd annual conference on Computer graphics and interactive techniques. ACM, : -.

  []?B. Wilburn, N. Joshi, V. Vaish, E. Talvala, E. Antunez, A. Barth, A. Adams, M. Horowitz, and M. Levoy, “High performance imaging using large camera arrays,” ACM Transactions on Graphics, vol. , no. , pp. -, .

  []?Ng R, Levoy M, Brédif M, et al. Light field photography with a hand-held plenoptic camera[J]. Computer Science Technical Report CSTR, , (): -.

  []?Lytro Inc. Accessed: Aug. , . [online]. Available: https://www.lytro.com/

  []?K. Venkataraman, D. Lelescu, J. Duparre, A. McMahon, G. Molina, P. Chatterjee, R. Mullis, and S. Nayar, “Picam: An ultra-thin high performance monolithic camera array,” ACM Transactions on Graphics, vol. , no. , pp. , .

  []?“Light gallery,” . [online]. Available: https://light.co/gallery.

  []?Wu G, Masia B, Jarabo A, et al. Light field image processing: An overview[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, , (): -.

  [] Adelson, Edward H, and J. R. Bergen. “The plenoptic function and the elements of early vision. ” Computational Models of Visual Processing ():-.

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