光場成像技術的革新與前景分析

許經捷

北京師范大學藝術與傳媒學院，北京 100875

光場成像技術的革新與前景分析

許經捷

北京師范大學藝術與傳媒學院，北京 100875

本文主要針對光場成像技術這個全新的領域，深入探討光場成像技術的前景極其對攝影界的革新，分析光場成像技術的優勢與現今光場相機仍存在的不足，研究光場成像的革新意義，希望為光場成像技術的發展提供參考與建議。

光場成像技術；前景；革新

1 攝影界的一個偉大的突破

有人說過的一句精辟的語言：攝影家的能力是把日常生活中稍縱即逝的平凡事物轉化為不朽的視覺圖像。而相機便是攝影家捕捉視覺圖像的工具。自攝影誕生至今，相機經歷了由繁瑣的板式攝影到膠片攝影、膠片攝影至數碼攝影的過程，時至今日，各式各樣的數碼相機令人眼花繚亂，其豐富的功能也讓人把玩不斷。

然而，當今的攝影技術仍存在不足之處。無論是膠片相機還是傳統數碼相機，都不過是純粹地捕捉二維畫面，在拍照的過程中失去了來自不同位置光線的方向信息。這樣的攝影在理論上根本稱不上“捕捉瞬間”，最多是“捕捉畫面”罷了。

但時代總是在前進著，幾個世紀前達芬奇勾畫的坦克、直升機、機械計算器已經成為現實。現在，他的另一個想象力的翅膀也終于實現了——一種成像設備，具有捕捉每個光學場景的能力，這就是基于光場成像技術的光場相機。

它不僅僅記錄落在每個感光單元所有光線的總和，還旨在測定每個進入的光線強度和方向。有了這些信息，人們就可以生成不只是一個，而是每一個在那一刻進入相機視野的可能的圖象。

2 光場成像技術原理

“光場是空間中同時包含位置和方向信息的四維光輻射場的參數化表示?！盵1]光場數據的獲取為數字成像的計算提供了更多可行的走向。傳統拍攝方式在目標物移動速度較快或是間距過遠時，容易因為焦平面較小而導致失焦、跑焦的情況，因而對于高速運動的目標物，想將其一瞬間的形態捕捉下來并正確對焦，是非常難以實現的。同時，要減少目標物高速運動而帶來的運動模糊，如果將曝光時間縮短，則容易導致攝得的圖像過暗，增大光圈孔徑則容易造成景深過小，背景模糊不清晰；而對主體較多的目標范圍來說，由于焦點時常對在中心位置的物體上，因而導致周圍物體因聚焦不足而出現模糊不清的情況。調小光圈的拍攝方法僅僅能在光線充足的情況下使用，在拍攝光線嚴重不足的室內往往會導致目標曝光不足而過暗。 光場成像通過記錄光輻射在傳播過程中的四維位置和方向的信息，相較傳統僅紀錄兩個維度的拍攝方式足足多出兩個維度，因而在圖像重建過程中，能夠獲得更加豐富的圖像信息。于此同時，還能通過獨特的精密數字計算進行成像重新對焦，從而解決圖像失焦、難以多者同時對焦等問題。

除此之外，隨著光場成像技術的不斷發展，其優秀的成像能力受到諸多行業的關注，現已逐漸運用到了航空拍攝、動畫渲染、立體投影、精密科學儀器等多個應用領域。

3 消費級光場相機發展現狀——以Lytro相機為代表

2006年，美國斯坦福大學電腦科學系新加坡籍博士生吳義仁（Ng），與幾名研究員創制出便攜式光場相機。隨后，將這個獨特的發明投入商業運作的想法便出現在Ng的腦海中。

2011年10月20日，經過年初的初步產品演示之后，Lytro公司正式發布了世界首款消費級光場相機[2]。它就像一個拉長了的IPOD NANO，具備陽極電鍍的鋁制外殼，后端由握持感良好的橡膠材質構成。整個相機僅有兩個按鈕：電源和快門，還有一個觸摸式的變焦桿。

4 成像效果及不足

數碼重聚焦技術是光場相機的一大賣點，通過軟件后期處理，Lytro相機能夠輕易的實現可變焦點間的切換。

樣片

從樣片中的對比可見，Lytro光場相機的焦點轉換系統效果十分明顯，令人眼前一亮。在實際使用中，焦點切換的處理速度飛快，幾乎實現了零延遲，用戶可以在輕點屏幕的瞬間輕易地切換照片的焦點。

Lytro相機所拍攝的圖片給人的第一感覺是色彩鮮明，而且色彩的真實度很高，還原性較好。同時，作為光場相機，其明暗對比度很高，你幾乎可以選擇聚光在一個逆光的物體上，甚至直接對著太陽拍攝。

然而，光場相機在拍攝方面雖然有革命性的變革，但囿于光場成像技術仍處于發展階段尚未成熟，現今的光場相機，以Lytro為例，都存在著相片像素不高的狀況。通過截圖導出的JPEG圖片，大約只有120萬像素，這一現象遠遠低于當下人們的使用需求，尤其是在許多手機攝像頭已經實現了千萬級像素的今天。同時，照片的噪點極多，多數時候極大地影響了用戶的使用體驗，質量有待提高。

4 總結與展望

光場成像技術發展至今，足足已一個世紀有余，從最初的理論實驗，到近代的計算機應用，再到這幾年的消費級光場相機，百年間光場成像技術的研究與實踐已經有了質的飛躍。隨著CPU運算速度的飛速增長和重構算法的不斷改進，與計算機技術緊密相關的光場成像技術的發展前景可以說是相當樂觀的。僅現階段其可實用領域便十分廣闊：對攝影家來說，數字重聚焦技術另其擺脫了散焦、失焦的困擾；同時對于高速攝影及低感感攝影，光場成像具備獨特的優勢；在安全領域，能夠通過合成孔徑技術實現“透視”監控；在動畫及影視傳媒領域，可以通過光場數據合成視角來實現虛擬3D甚至于全息投影等…未來，倘若能將光場成像技術應用在連續動態圖像中，想必將會在影像界造成前所未有的轟動。我們生活在一個三維的世界，傳統二維成像技術帶給我們的影像是有限的，而立足于四維信息捕捉的光場成像技術能夠通過信息整合與計算，帶給我們這個世界更加生動、細膩、真實的縮影。相信在不遠的將來，隨著科技的不斷發展，光場成像技術將為人類帶來更多的震撼。

[1]聶云峰，相里斌，周志良.光場成像技術進展[J].中國科學院研究生院學報，2011.

[2]玉牙青青.先拍照，后對焦——顛覆傳統的光場相機Lytro[J].中國攝影家，2013.

G2

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1674-6708（2015）142-0121-01

許經捷，本科在讀，工作單位：北京師范大學藝術與傳媒學院，研究方向：數字媒體藝術