光场技术,又称集成成像,是一种新兴的成像概念,其优点甚至在成像行业的专业人士中也没有被广泛了解。由于捕获光场成像的方法有很多种,业内专家对哪一种光场捕获技术是最好的还没有达成一致。关于如何最好地捕捉图像的讨论正在进行中。

从本质上讲,我们可以直观地将光场定义为场景的体积信息。自从摄影术发明以来,图像捕捉就涉及到在一个场景的二维投影中获取信息。然而,光场不仅提供了二维投影,而且还增加了另一个维度,即到达投影的光线的角度。有了光阵列方向和场景的二维投影的信息,例如,可以将投影移动到不同的焦距。这使得用户可以在采集后自由地重新聚焦图像。除了本文将解释的许多其他可能性之外,还可以改变拍摄场景的角度。

有源方法相机(类似iPhone)

光场捕捉是通过使用相机阵列的被动方式进行的,每个相机在不同的角度和不同的观点获得场景。与使用相机阵列相关的一些挑战是,需要同步相机快门,避免不同相机视点之间的巨大照明差异,以及生成光场视频所需的繁重计算。从本质上讲,相机阵列意味着获得宽基线,从而产生远超焦距。当然,除了从阵列中每个摄像头收集的大量数据生成最后的光场图像所需的强大计算能力之外,大型相机阵列也给便携性带来了挑战。

解决了便携性挑战的光场成像开发的下一步是全光摄像头的发明。在镜头和图像传感器之间介绍将微透镜阵列放置的大型数字成像传感器允许单个相机从不同角度捕获图像阵列和不同的视点。使用这种光学布置,可以在具有光场信息的传感器中获得偏压分辨率。但是,支付的价格是一个明显的分辨率,限于阵列中的微透镜数量。

相机阵列(6x6)

这种相机布置是Lytro相机的核心,这是曾经发布过的第一个消费级光场相机。另一个压室摄像机布置是Shack-Hartmann光学布局,微透镜阵列放置在光学镜头前面。然而,该传感器更具旨在的科学用法,例如宇宙中遥远物体(望远镜)的光观察。

无论是使用相机阵列设置还是全光学相机,都可以从获取的数据生成一个深度图,这允许生成无限数量的场景虚拟视点,而不受限于原始捕获的角度。显然人们总是可以生成深度图通过添加一个深度传感器结构光、ToF(飞行时间)或激光雷达传感器,但是有几个缺点,从深度传感器图像传感器对准高功耗,除了低分辨率多图像传感器。

Blenoptic摄像机设置提供的一个重要功能是生成未聚焦的图像。此知识是用于捕获光场信息的新开发的第三选项的关键 - 使用由WoOptix开发的焦点堆栈。使用焦点堆采集的主要优点之一是不使用微透镜阵列,允许最终光场成像具有与竞争图像传感器相同的分辨率。通过利用关于每个像素的焦点的信息来生成深度图,使得具有与相同数量的像素数量的深度映射作为竞争图像传感器。

深度图的最终质量取决于用于生成场景深度图的算法。利用高速相机和镜头准确时间快变量图像传感器采集和足够的光来降低信噪比(信噪比)来分析每个无重点的形象,一个可以收集焦堆栈足够快来生成真正的光场视频24 fps或更快。

焦点堆叠相机(WoOptix-like)

总而言之,今天还没有完美的光场捕捉技术。然而,也有一些很好的候选者,如相机阵列,全光学相机,带深度传感器的主动相机,最后是新开发的焦叠相机,每个都有不同的优点和缺点。

有光场信息有哪些优点?

我们还应该谈论:(1)你用2d灯场和(2)用“3D”光场为什么。最后一个问题是(3)你用光场做什么。最后,您只捕获了光场,但您可以选择是否喜欢2D,3D,全息术或您需要的格式。始终在图像/视频拍摄之后(这可能是捕获光场的最大优势)。

如解释的那样,获取光场可以通过俗语地理解为“体积图像捕获”。该体积图像捕获可以用于BIDimensional(2D),三维(3D)和/或体积或全息术中。

2D:光场可以显示在传统的BIDimensional屏幕中,提供重新焦点,所有焦距图像,改变视点,或者使用深度图进行特殊效果。在获取图像/视频之后,可以完成所有这些用途。

3D:如果光场显示在3D显示器中,则可以享受无眼镜3D(或传统立体声),并且您也可以使用2D屏幕(但在3D中)之前提到的相同特性。换句话说,在获取图像/视频之后。

低频/整体:最后,如果光场显示在光场或全息显示器中,可以实现最佳体验,允许使用由光场照相机捕获的每位信息的每一位正确显示场景的所有信息。

正如所解释的那样,3D光场并不是《阿凡达》等电影中使用的传统3D,而是“整体3D”成像。通过集成的3D成像,观众将体验到一个完全自然的3D视图,包括多焦点和多视图,这是目前传统的3D不存在的。

光场使得能够捕获场景中的每个光线的所有信息,允许观看者自由地专注于观众希望在焦点中看到的,同样的方式观看自然,日常对象。该技术提供现场中的所有光线,观众自由选择在哪里聚焦。这种在光场图像内自由聚焦的能力是3D光场成像和传统的3D成像之间的主要区别。

在光田显示领域有一系列新的发展。但是,这些显示器仍处于实验研发水平,预计未来几年内的消费者级别显示。另一方面,目前没有捕获高质量光场视频的好方法,我们认为,使用焦点堆叠的有源镜头技术是一个非常好的候选人,可以在非常短的时间内达到消费级质量。

本文是由javier elizalde,CMO,WOOPTIX(西班牙马德里)编写的。有关更多信息,请访问在这里


Photonics&Imaging Technology杂志

本文首次发表于2021年3月号光子学与成像技术杂志。

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