光场成像技术

目录

1.1概述

1.2 光场的数学定义

1.3 照相机阵列光场成像技术

1.3.1照相机阵列的结构与图像采集

 1.3.2 照相机阵列的数字重聚焦原理

1.4微透光光场成像技术

1.4.1 微透镜光场相机计算成像原理

1.4.2 微透镜光场照相机的数字重聚焦原理

​ 总结


1.1概述

        Michael Faraday 早在 1846 年就提出,和磁场的性质类似,光本身应该被定义成场的形式,可以简单地称为光场 (Light Field 。概念上,光场是一个可以描述空间中每个 点、每个方向光线的方程 。基 于光场的图像采集和成像技术简称为光场成像技术。具体的,光场成像技术是指通过特殊设计的光场照相机,在成像过程中所捕捉的不再是 普通相机采集到的光面,而是记录了整个光场。也就是说,光场照相机能捕捉一个场景 中来自所有方向的光线,能够让用户在拍完照片之后再借助相关算法对光线进行处理,得到特殊的成像效果以及其他的应用。
        光场成像技术采用新的成像装置,属于光电技术与计算机技术紧密结合的交叉研究课题,将获取全光信息的采集和处理作为研究重点。近年来随着其技术的不断发展,在机载光学成像探测方面也有潜在的应用前 景。 通过光场成像技术,拍照时只需要构图并按下快门即可,对焦的步骤可以在拍照完后在计算机上完成。这彻底改变了现有拍照习惯,甚至让自动对焦的功能和算法都变得多余。无论拍摄的照片模糊与否,只要在照相机的焦距范围内,对焦点可以在拍完之后随意选择,因为其已经将拍摄场景内大部分光 学信息都记录在内了。有人如此解释这一原理,如果 一张照片记录的场景比作一场音 乐会,传统照相机记录的是乐团演奏的整体效果,光场照相机记录的则是乐团每个成员的演奏效果,用户可以选择放大不同乐器的声音。
        进入 21 世纪以来,光场成像技术无论在理论上还是应用上都得到了长足的发展。 2011年Lytro 公司发布了世界首款消费级的光场照相机,通过光场技术可以让用户拥有"先拍照后对焦"的功能。可以让任何 景深 的景物立刻成为拍摄焦点,完全不去考虑景 深问题。

1.2 光场的数学定义

光场成像技术_第1张图片

目前,获取光场的手段主要有以下两种:
(1)照相机阵列。它是指通过照相机在空间的 一定排布来 同时抓取 一系列视角略有 差别的图像,从而重构出光场数据的方法。比如斯坦福大学的 128 照相机阵列,采用大范围的空间排布,能够采集对场景多视角的图片,然后再对这些图片进行处理,实现数字重聚焦。
(2) 微透镜阵列。这也是常用的光场获取方式,实现方式也最简单 在普通成像系统的一次像面处插入 个微透镜阵列,每个微透镜元记录的光线对应相同位置不同视角 的场景图像,从而得到 一个 四维光场。

1.3 照相机阵列光场成像技术

        照相机阵列是指通过照相机在空间的 定排布来同时抓取一系列视角略有差别的图像,从而重构出光场数据的方法。

1.3.1照相机阵列的结构与图像采集

        阵列照相机的合成孔径成像类似于合成 孔径 如果说只是单个照相机拍摄带有遮挡物的场景, 那么拍摄主体可能会被挡住。
        多相机阵列(Camera Arrays )利用不同空间位置的多个相机来采集不同视角的照片。斯坦福大学的Bennett Wilburn 等人 用廉价的相机搭建一个高性能的相机阵列。这个系统使用常规的MPEG 视频压缩标准以及IEEE1394 通信标准,使得100台CMOS 相机协同工作,而所有相机所产生的数据仅需要4台普通的PC 处理即可。

 1.3.2 照相机阵列的数字重聚焦原理

        阵列照相机可以看成一个超大光圈的单相机, 单个阵列照相机可以看成 个针孔照相机, 景深非常大 大光圈的照相机景深却比较小 。一般 单个镜头的照相机光圈的直径是有限,而阵列照相机的 等效 光圈 直径可达 3m ,这 单个照相机无法比拟的 因此阵列照相机的合成图像 景深 非常小,除了主体所在焦平面 外,其他景物都己经模糊。
列照相机的超大光圈的另一 好处就是前面提高图像的透视效应:
光场成像技术_第2张图片

 关于阵列相机详细介绍可参考《计算摄影学基础》

以及博客:

https://www.cnblogs.com/coderyuhui/p/3745778.html

1.4微透光光场成像技术

能够对一次曝光后获得的照片进行数字重聚焦是光场成像技术很重要的一个应用, 微透镜照相机对不同深度图像的重聚焦,通过图像融 合技术可以生产全聚焦的整幅清晰图像。

1.4.1 微透镜光场相机计算成像原理

         微透镜光场照相机的光学成像系统由三部分构成 主透镜、微透镜阵列和数字感光芯片。微透镜光场照相机的成像原理为 物体上一点经过主透镜系统后聚焦于微透镜阵列平面,而后经单个微透镜分散出强度和方向分量,到达探测器的不同面元,此即该物点的光场信息 如果把微透镜看作成像器件,主透镜的主面与探测器阵列满足物像共辄关系。所以,主透镜系统的光睦经过单个微透镜所成的像正好覆盖光电探测器的若干像素点。为达到最大的角分辨率,需保证主透镜系统的像方数F与微透镜阵列的数一致,否则会造成光场方向信息和成像目标空间分布的混叠。

光场成像技术_第3张图片

光场成像技术_第4张图片 光场成像技术_第5张图片

1.4.2 微透镜光场照相机的数字重聚焦原理

 总结

        然而,光场数据 比普通图像 出的维度信息是以牺牲空间分辨率为代价的,二者之 间存在一个折中和平衡。特别是对于现有的微透镜式光场,照相机普遍存在图像空间分 辨率不能满足需求 的问题,如果加大图像空间分辨率的同时兼顾轴向分辨率,则会对光 学器 件的加工工艺提出更高要求,这也是当前制约光场成像技术发展的一个主要瓶颈, 如何在二者之间获得更好的平衡,是今后研究的一个重点。此外,由于一次曝光获取的 数据量巨大,对存储设备 的容 和图像处理器速度也提出了更高的要求。
详细内容请参看《计算摄影学基础》

你可能感兴趣的:(计算摄影学专刊,计算摄影学)