浅析光场摄影的技术以及发展前景

毛鸿依

摘要：光场摄影正在挑战着我们已经确立的摄影观念，不同的光圈和不同的焦距设置，甚至不同透视的几百万张图像可以通过一次拍摄即可合成。由于目前技术的限制，光场相机距离达到目前数码相机的分辨率还差的很远，但是传感器的研究者们正在努力缩小这段差距。

关键词：光场摄影 透视 数码时代

中图分类号：J419.9 文献标识码：A 文章编号：1008-3359（2017）03-0164-03

摄影从胶片时代到数码时代，相机的设计几乎没有什么变化，都是被摄景物通过镜头成颠倒的图像，只是从原来在一块银盐胶片上感光变成在一块电子感光元件上感光。由于被摄体和镜头之间的距离不同，图像也会随着移动，传感器也跟着移动从而得到清晰的影像。被摄景物的信息被镜头约束到一个点上，通过镜头再次放大，这样就会形成两个圆锥形。如果传感器位于焦平面的前边或者后边，这些点成为弥散圈，得到是比较模糊的图像。通过调节镜头的焦距，会得到较窄的弥散圈，这样使用小的光圈可以在较大的距离范围获得清晰的图像。

使用光场相机的时候，以上所说的一切就都不适用了。拍摄时，始终用镜头的最大光圈进行拍摄，而且镜头和电子感光原件之间的距离也和景深没有关系了。光场的四个维度同时抓取每条光线离开镜头的点和到达传感器的点，也就是说光线在相机里面的轨迹，根据拍摄时获得的数据，可以形成多个二维图像，这些图像甚至不属于同样焦距和光圈设置拍摄出的图像。画面中不同焦距的两个物体，可以让其中一个清晰，另一个模糊，也可以让两个物体同时清晰。就像是拍攝时通过调节镜头改变景深获得的照片一样。

对于如何制作光场相机，如何在一个电子感光元件上合成复杂的图像，这就是一个深奥的技术性问题了。美国斯坦福大学和REN NG合作研制了一款手持光场相机，希望将这种新产品推向市场，并且普及下去。他们制作的相机的原型是柯达的数字后背和中画幅机身构成，唯一不同的是，电子感光元件的顶部的微距镜头各在下方CCD的14*14像素上投射一个图像。微距镜头和主镜头的光圈保持一致，如果主镜头光圈太大，就会有很多像素利用不起来，如果光圈太小，得到的影像就会重叠，都不利用传感器的有效利用。在微距镜头的下边CCD捕捉离开主镜头的光线信息，虽然微距镜头的阵列大大降低了相机的分辨率，但是相机解析传感器捕捉的光线远点的能力补偿了分辨率的损失。相机记录每根光线的轨迹，主要捕捉主镜头和电子感光元件之间的光场。

当然对于每个摄影爱好者来说，中大画幅相机带来的极佳的成像质量是人们向往的，但是高昂的价格却让大家望而却步，除了专业的摄影机构，一般搞摄影的人不会去购买如此昂贵的相机。而且改造成本和改造过程远远不是普通消费者可以折腾得起的。所以中画幅数码后背的“光场相机”也只是停留在研发阶段。直至2011年6月，Lytro宣布获得来自格雷洛克合伙人、安德森-霍洛维茨和恩颐投资的5000万美元A轮投资，随后推出第一款产品——一台一端为1.52英寸触摸屏，另一端为镜头的光场相机，这也是光场相机量产历史上的第一款。这台光场相机最核心的技术就在电子感光元件前部滤镜结构上，虽然这台相机的本身具备了1100万像素，但是通过改变传感器前面的滤镜，我们可以发现这个电子感光元件的结像点并没有在一个平面上，而是大概分布在100多个平面上。简单来说，我们每拍摄一次图片，光场相机大概会记录着100个物距的成像信息 （相当于同时记录包括对焦距离的100个RAW文件），考虑到这台相机的传感器本身尺寸和光圈大小，这100多张图像已经几乎包含所有的景深的范围。接下来我们只需要把这些照片所具备的距离信息整理一下，再加上焦点算法（实际上是锐度优先+相似距离信息拼接），就可以形成完整的照片了。2014年7月，继光场相机第一代产品推出之后，又推出第二代产品——Lytro推出了Lytro Illum。针对前代产品出现的画质问题，Lytro Illum采用4000万像素镜头和f/2.0大光圈来提升照片质量，同时还配备大量实体按键来改善相机的实用性。很多人可能都会在头脑中出现一个问题，拍一张照片的同时相当于拍摄了100多张，那么在拼接使用的数量是多少呢？大约为10%，这比起第一代使用中画幅相机的效率已经高出了不少。也就是说这种拥有1100万像素的电子感光元件，大概有1000万像素都是被白白浪费的，有效像素仅仅为100万而已，所以这张照片的清晰程度是可想而知的。另外在合成照片的时候在一定程度上还会损失一部分分辨率，所以最后一张照片的分辨率也就在50万像素左右。

事实上从四维合成到二维图像是一件十分复杂的任务，但是它的原理还是比较简单的。光场相机可以一次性的拍摄无数张传统相机拍摄的照片。每个微距镜头的下方，电子感光元件会记录无数条离开镜头的光线，在这个前提下我们可以相加这些圆环中所有的像素值，获得296*296像素的图像，可以忽略光线几种电子感光元件的方式，从而将光场相机降低成常规相机。一旦我们开始模拟使用不同的拍摄设置，而不是实际拍摄时的设置，就会变得非常的有趣。比如，我们将镜头的光圈继续变小，那么外围的光线就会被光圈阻挡，无法达到电子感光元件。我们可以不去计算超出每个微距图像中心一定距离的像素，仅仅增加光圈以内的像素值，来模拟这个效果。那么虚拟光圈的特点和真实的光圈是一样的，缩小光圈，增加景深，噪点也会增加，同时光学像差也会减少。因为每个微距镜头的下方只有非常有限的像素影响最终的效果，即使是传统相机也是一样。但是虚拟相机不会仅仅局限于传统的原型光孔。我们可以模拟传统镜头的圆形光孔也可以模拟三角形光孔将焦距以外高光转化成向上或者向下的三角形。虚拟的光圈可以不用在微距镜头的中心，在每个微距镜头图像的周围出现一些像素时，透视也会随着相应的移动，生成的图像好像是在光轴的周围形成的一样。虚拟相机的光圈数值确定为多少，取决于微距镜头下方像素点的大小以及数量。但是衍射产生的方向分辨率的损失也是急需解决的问题。

光场相机最大的特点就是有着重新调焦的功能，可以合成在很广泛焦距内形成的图像。它的基本原理也是非常简单的，画面中靠后的位置其中一个点发出的光线汇聚于相机里边的某一个点，如果电子感光元件刚好在这个点所在的平面上，就会取得清晰的图像。但如果感光元件的位置不在那个点上，如果离镜头更远，聚焦在静物靠前的位置上，那么相机就会呈现模糊的图像。但是光场相机就不会出现這种情况，我们可以在焦平面总放置一个虚拟传感器，根据光场数据，呈现虚拟电子感光元件得到的图像。在相机内部，光线通过镜头到实际电子感光原件的轨迹是直线，通过这种推理，我们同时可以得到光线到虚拟电子感光元件的点。如果我们对进入相机内部的每一条光线都进行计算的话，就可以确定在虚拟电子感光元件的每个像素点上投射了多少条光线。用相同的方法，可以计算出如果虚拟电子感光元件在实际电子感光元件后面的时候得到的图像，也就是如果焦点在靠后的条件下，靠前的景物如果电子感光元件的位置和这个不相符，光线会沿着和之前一样的路线继续发散。如同虚拟光圈一样，虚拟电子感光元件是非常灵活的，有的时候根据需要我们可以向任何方向移动虚拟电子感光元件，不可避免光场会遗漏一些必备的数据，所以有的时候图像四周出现一些暗角是不可避免的。要使景深更加的大，我们可以用较小的虚拟光圈。所以，我们可以得到不同焦距的一系列图像，并将焦距不同的图片合成到一起，可以选出每个焦距区域最清晰的那一张。

光场相机在拍摄的过程中，可以更加精确的捕捉进入镜头的光线到电子感光元件的路径，所以我们可以将内部光场改变到镜头前方的光场。我们可以用虚拟的镜头代替真实的镜头，根据虚拟的镜头重新计算光场，从而提高成像质量。同时我们也可以改变透视，仿真的安放距离被摄体较近或者较远的相机。除了由实际镜头和实际电子感光元件所决定拍摄视域范围我们不能改变，其他的我们都可以人为的去控制。

斯坦福大学和REN NG的研究表明，光场相机的应用现在已经不仅仅存在于实验室或者理论上，他们研究的光场相机可以像任何数码相机一样正常拍摄。现在只是在成像质量上还不能和数码相机相媲美，其他方面都可以和我们正常使用的相机并无两样。现在REN NG制作的相机将空间分辨率从16兆像素降低到0.1兆像素，但是从现在数码相机电子感光元件这个发展趋势看，解决这个问题指日可待。这些像素间距小于2.0微米的小型1/1.8电子感光元件的分辨率绝大多数都被浪费掉了，主要是因为镜头的解像力还很有限。再好的镜头也会遇到这种问题，比如2.0光圈会受到衍射的影响，2.8也会受到这种影响，同时相机的有效分辨率基本都在8兆以下。非常微小的CCD或者CMOS单元也只能聚集少量的电荷，如果电荷过高就会增加图像的噪点。

但是随着电子感光元件制造技术的不断发展，CCD的面积不断的变大，比如哈苏H6D使用的电子感光元件尺寸就可以解析到400兆像素以上，足够用在光场相机40*40像素的方向分辨率捕捉图像上了。镜头解像力不再成为问题了，是因为相机的空间分辨率比电子感光元件小了很多个数量级。另外由于合成图像的每个像素点都会超过1000个电子感光元件的像素，所以一般的噪点也会被屏蔽掉。

光场摄影现在还在不断的完善阶段，由于很多方面的限制，比如研发的时间短，硬件十分有限，所以相比常规的数码相机还是落后的。但是随着研发人员的不断研究尝试，电子感光元件不断升级，未来一旦他们将更加高科技的电子感光元件应用到这个技术领域当中，光场摄影一定会有其自己的一片天地。

参考文献：

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