光场摄影:它是什么以及它是如何工作的?

光场摄影已经存在很长时间了。第一个模拟光场设备是由 Gabriel Lippmann 于 1908 年发明的,他最终因其在彩色摄影方面的工作而获得了诺贝尔奖。

光场摄影令人着迷,因为它允许您在拍摄图像后移动图像的焦平面,这在普通摄影中是不可能的。

那么,光场摄影是如何工作的呢?这篇文章将教你一切你需要知道的。

什么是光场摄影?

普通摄影的工作原理与人眼非常相似。您用相机对焦,传感器会捕捉到三维空间的二维图像,并聚焦该空间的“切片”。对焦区域前面或后面的所有东西都是模糊和失焦的。这是因为普通传感器仅捕获有关光强度的信息。

光场是指场景中所有光线(每个光子)的整体。构成光场的光线由全光函数定义(这就是为什么光场相机也被称为全光相机)。全光函数在五个维度上描述光线:它在 3D 空间中的坐标(X、Y、`)和它在 2D 空间中的方向(两个角度)。

光场摄影从特定场景中的光场中捕捉信息,包括光的强度和光线的方向(根据全光函数)。

光场摄影与传统摄影有很大不同。它允许您捕捉 3D 图像并在事后选择焦点所在的位置。通过使用多个传感器,可以捕获入射光和光线的方向。

光场摄影是如何工作的?

如前所述,光场相机会捕获有关相机前方光场的所有信息。该信息包括光的强度、颜色和方向。因此,可以通过数学方法确定每束光线在到达传感器之前从哪里发出。这意味着可以构建场景的三维模型。

有几种捕捉光场的技术,例如:

  • 使用单个摄像头从多个角度捕获有关场景的信息。这种方法产生了许多图像的选择。
  • 多相机阵列。这些通常在广泛的阵列中具有数十个传感器,每个传感器从稍微不同的角度捕获有关场景的信息。此方法还可同时生成许多图像。
  • 微透镜阵列。在单个数码相机传感器前放置数百个微透镜阵列可以捕获光场信息。这会产生一个由数百个子图像组成的图像。

每个图像或子图像通过捕获源自空间中略微不同位置的光线而有所不同。由于每个像素将因此显示略有不同的场景,因此记录了有关光线角度的信息。这使得计算每个对象与相机的距离和场景中的位置成为可能,并最终开发场景的 3D 模型。

光场摄影的应用

光场摄影有多种用途,可能非常有用。因为所有关于场景光场的信息都被记录下来,所以可以以许多在普通摄影中无法实现的方式来处理光场图像。

自定义焦点

光场摄影最著名的特点是能够在拍摄图像后改变焦点。这是因为相机捕获的信息包括每个距离的焦点,这意味着使用复杂的软件可以选择任何距离作为场景中的焦点。

可变景深

与对焦类似,由于记录信息的性质,可以使用“合成光圈”处理图像。光圈是镜头开口的直径,决定了图像中的景深(前景和背景离焦的程度)。

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由于光场图像包含每个可能焦距的信息,因此可以创建具有最小景深的图像(只有非常小的部分处于对焦状态)。还可以创建具有无限景深的图像,其中图像中的所有内容都处于对焦状态。

视差效果

根据捕获光场的方式,可能会产生略有不同的场景视角。这取决于用于拍摄图像的系统的直径或宽度。镜头系统越宽,从更广的角度捕获的光线就越多。

拍摄图像后,可以稍微改变图像的视角,就像您在实际场景中移动头部一样。这被称为视差效应。使用视差效果,还可以重建 3D 图像。

计算距离

根据光场摄影系统的灵敏度及其光学特性的知名度,可以计算镜头到场景中物体的距离。它的一个主要应用是在显微镜中准确测量合成或生物样品的大小。

改变光照条件

由于光场摄影中记录了大量有关场景深度的信息,因此可以使用后处理软件准确地重建场景中的照明。由于该软件知道图像中所有对象的相对位置,因此它可以令人信服地计算出阴影会落在何处。

虚拟现实

光场摄影可能会永远改变电影制作和 VR 。这是因为光场摄影可用于创建现实生活中的 VR。谷歌已经开发了可以在Steam上查看的示例。

使用由 16 个 GoPro 组成的旋转相机阵列,他们捕获了数千张图像,这些图像记录了 3D 空间中的所有光场信息。然后,他们能够创建 3 维、6 自由度的虚拟现实体验。

光场相机是摄影的未来吗?

2012 年, Lytro 公司发布了第一款消费市场光场相机。这台相机的分辨率为 100 万像素,恒定光圈为 F/2,售价在 400 到 500 美元之间。从那时起,很少有面向消费者的光场相机进入市场。

分辨率和图像质量的缺乏意味着光场相机根本没有像数码单反相机那样在消费市场上起飞。事实上,光场技术的许多用途仍在开发中。

但是,谷歌(以及现在的苹果)投资这项技术是有原因的,它用于为 VR 创造 3D 用户体验只是一个例子!