淺析光場攝影的技術(shù)以及發(fā)展前景

毛鴻依

摘要：光場攝影正在挑戰(zhàn)著我們已經(jīng)確立的攝影觀念，不同的光圈和不同的焦距設(shè)置，甚至不同透視的幾百萬張圖像可以通過一次拍攝即可合成。由于目前技術(shù)的限制，光場相機距離達到目前數(shù)碼相機的分辨率還差的很遠，但是傳感器的研究者們正在努力縮小這段差距。

關(guān)鍵詞：光場攝影 透視 數(shù)碼時代

中圖分類號：J419.9 文獻標識碼：A 文章編號：1008-3359（2017）03-0164-03

攝影從膠片時代到數(shù)碼時代，相機的設(shè)計幾乎沒有什么變化，都是被攝景物通過鏡頭成顛倒的圖像，只是從原來在一塊銀鹽膠片上感光變成在一塊電子感光元件上感光。由于被攝體和鏡頭之間的距離不同，圖像也會隨著移動，傳感器也跟著移動從而得到清晰的影像。被攝景物的信息被鏡頭約束到一個點上，通過鏡頭再次放大，這樣就會形成兩個圓錐形。如果傳感器位于焦平面的前邊或者后邊，這些點成為彌散圈，得到是比較模糊的圖像。通過調(diào)節(jié)鏡頭的焦距，會得到較窄的彌散圈，這樣使用小的光圈可以在較大的距離范圍獲得清晰的圖像。

使用光場相機的時候，以上所說的一切就都不適用了。拍攝時，始終用鏡頭的最大光圈進行拍攝，而且鏡頭和電子感光原件之間的距離也和景深沒有關(guān)系了。光場的四個維度同時抓取每條光線離開鏡頭的點和到達傳感器的點，也就是說光線在相機里面的軌跡，根據(jù)拍攝時獲得的數(shù)據(jù)，可以形成多個二維圖像，這些圖像甚至不屬于同樣焦距和光圈設(shè)置拍攝出的圖像。畫面中不同焦距的兩個物體，可以讓其中一個清晰，另一個模糊，也可以讓兩個物體同時清晰。就像是拍攝時通過調(diào)節(jié)鏡頭改變景深獲得的照片一樣。

對于如何制作光場相機，如何在一個電子感光元件上合成復(fù)雜的圖像，這就是一個深奧的技術(shù)性問題了。美國斯坦福大學和REN NG合作研制了一款手持光場相機，希望將這種新產(chǎn)品推向市場，并且普及下去。他們制作的相機的原型是柯達的數(shù)字后背和中畫幅機身構(gòu)成，唯一不同的是，電子感光元件的頂部的微距鏡頭各在下方CCD的14*14像素上投射一個圖像。微距鏡頭和主鏡頭的光圈保持一致，如果主鏡頭光圈太大，就會有很多像素利用不起來，如果光圈太小，得到的影像就會重疊，都不利用傳感器的有效利用。在微距鏡頭的下邊CCD捕捉離開主鏡頭的光線信息，雖然微距鏡頭的陣列大大降低了相機的分辨率，但是相機解析傳感器捕捉的光線遠點的能力補償了分辨率的損失。相機記錄每根光線的軌跡，主要捕捉主鏡頭和電子感光元件之間的光場。

當然對于每個攝影愛好者來說，中大畫幅相機帶來的極佳的成像質(zhì)量是人們向往的，但是高昂的價格卻讓大家望而卻步，除了專業(yè)的攝影機構(gòu)，一般搞攝影的人不會去購買如此昂貴的相機。而且改造成本和改造過程遠遠不是普通消費者可以折騰得起的。所以中畫幅數(shù)碼后背的“光場相機”也只是停留在研發(fā)階段。直至2011年6月，Lytro宣布獲得來自格雷洛克合伙人、安德森-霍洛維茨和恩頤投資的5000萬美元A輪投資，隨后推出第一款產(chǎn)品——一臺一端為1.52英寸觸摸屏，另一端為鏡頭的光場相機，這也是光場相機量產(chǎn)歷史上的第一款。這臺光場相機最核心的技術(shù)就在電子感光元件前部濾鏡結(jié)構(gòu)上，雖然這臺相機的本身具備了1100萬像素，但是通過改變傳感器前面的濾鏡，我們可以發(fā)現(xiàn)這個電子感光元件的結(jié)像點并沒有在一個平面上，而是大概分布在100多個平面上。簡單來說，我們每拍攝一次圖片，光場相機大概會記錄著100個物距的成像信息 （相當于同時記錄包括對焦距離的100個RAW文件），考慮到這臺相機的傳感器本身尺寸和光圈大小，這100多張圖像已經(jīng)幾乎包含所有的景深的范圍。接下來我們只需要把這些照片所具備的距離信息整理一下，再加上焦點算法（實際上是銳度優(yōu)先+相似距離信息拼接），就可以形成完整的照片了。2014年7月，繼光場相機第一代產(chǎn)品推出之后，又推出第二代產(chǎn)品——Lytro推出了Lytro Illum。針對前代產(chǎn)品出現(xiàn)的畫質(zhì)問題，Lytro Illum采用4000萬像素鏡頭和f/2.0大光圈來提升照片質(zhì)量，同時還配備大量實體按鍵來改善相機的實用性。很多人可能都會在頭腦中出現(xiàn)一個問題，拍一張照片的同時相當于拍攝了100多張，那么在拼接使用的數(shù)量是多少呢？大約為10%，這比起第一代使用中畫幅相機的效率已經(jīng)高出了不少。也就是說這種擁有1100萬像素的電子感光元件，大概有1000萬像素都是被白白浪費的，有效像素僅僅為100萬而已，所以這張照片的清晰程度是可想而知的。另外在合成照片的時候在一定程度上還會損失一部分分辨率，所以最后一張照片的分辨率也就在50萬像素左右。

事實上從四維合成到二維圖像是一件十分復(fù)雜的任務(wù)，但是它的原理還是比較簡單的。光場相機可以一次性的拍攝無數(shù)張傳統(tǒng)相機拍攝的照片。每個微距鏡頭的下方，電子感光元件會記錄無數(shù)條離開鏡頭的光線，在這個前提下我們可以相加這些圓環(huán)中所有的像素值，獲得296*296像素的圖像，可以忽略光線幾種電子感光元件的方式，從而將光場相機降低成常規(guī)相機。一旦我們開始模擬使用不同的拍攝設(shè)置，而不是實際拍攝時的設(shè)置，就會變得非常的有趣。比如，我們將鏡頭的光圈繼續(xù)變小，那么外圍的光線就會被光圈阻擋，無法達到電子感光元件。我們可以不去計算超出每個微距圖像中心一定距離的像素，僅僅增加光圈以內(nèi)的像素值，來模擬這個效果。那么虛擬光圈的特點和真實的光圈是一樣的，縮小光圈，增加景深，噪點也會增加，同時光學像差也會減少。因為每個微距鏡頭的下方只有非常有限的像素影響最終的效果，即使是傳統(tǒng)相機也是一樣。但是虛擬相機不會僅僅局限于傳統(tǒng)的原型光孔。我們可以模擬傳統(tǒng)鏡頭的圓形光孔也可以模擬三角形光孔將焦距以外高光轉(zhuǎn)化成向上或者向下的三角形。虛擬的光圈可以不用在微距鏡頭的中心，在每個微距鏡頭圖像的周圍出現(xiàn)一些像素時，透視也會隨著相應(yīng)的移動，生成的圖像好像是在光軸的周圍形成的一樣。虛擬相機的光圈數(shù)值確定為多少，取決于微距鏡頭下方像素點的大小以及數(shù)量。但是衍射產(chǎn)生的方向分辨率的損失也是急需解決的問題。

光場相機最大的特點就是有著重新調(diào)焦的功能，可以合成在很廣泛焦距內(nèi)形成的圖像。它的基本原理也是非常簡單的，畫面中靠后的位置其中一個點發(fā)出的光線匯聚于相機里邊的某一個點，如果電子感光元件剛好在這個點所在的平面上，就會取得清晰的圖像。但如果感光元件的位置不在那個點上，如果離鏡頭更遠，聚焦在靜物靠前的位置上，那么相機就會呈現(xiàn)模糊的圖像。但是光場相機就不會出現(xiàn)這種情況，我們可以在焦平面總放置一個虛擬傳感器，根據(jù)光場數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)虛擬電子感光元件得到的圖像。在相機內(nèi)部，光線通過鏡頭到實際電子感光原件的軌跡是直線，通過這種推理，我們同時可以得到光線到虛擬電子感光元件的點。如果我們對進入相機內(nèi)部的每一條光線都進行計算的話，就可以確定在虛擬電子感光元件的每個像素點上投射了多少條光線。用相同的方法，可以計算出如果虛擬電子感光元件在實際電子感光元件后面的時候得到的圖像，也就是如果焦點在靠后的條件下，靠前的景物如果電子感光元件的位置和這個不相符，光線會沿著和之前一樣的路線繼續(xù)發(fā)散。如同虛擬光圈一樣，虛擬電子感光元件是非常靈活的，有的時候根據(jù)需要我們可以向任何方向移動虛擬電子感光元件，不可避免光場會遺漏一些必備的數(shù)據(jù)，所以有的時候圖像四周出現(xiàn)一些暗角是不可避免的。要使景深更加的大，我們可以用較小的虛擬光圈。所以，我們可以得到不同焦距的一系列圖像，并將焦距不同的圖片合成到一起，可以選出每個焦距區(qū)域最清晰的那一張。

光場相機在拍攝的過程中，可以更加精確的捕捉進入鏡頭的光線到電子感光元件的路徑，所以我們可以將內(nèi)部光場改變到鏡頭前方的光場。我們可以用虛擬的鏡頭代替真實的鏡頭，根據(jù)虛擬的鏡頭重新計算光場，從而提高成像質(zhì)量。同時我們也可以改變透視，仿真的安放距離被攝體較近或者較遠的相機。除了由實際鏡頭和實際電子感光元件所決定拍攝視域范圍我們不能改變，其他的我們都可以人為的去控制。

斯坦福大學和REN NG的研究表明，光場相機的應(yīng)用現(xiàn)在已經(jīng)不僅僅存在于實驗室或者理論上，他們研究的光場相機可以像任何數(shù)碼相機一樣正常拍攝。現(xiàn)在只是在成像質(zhì)量上還不能和數(shù)碼相機相媲美，其他方面都可以和我們正常使用的相機并無兩樣。現(xiàn)在REN NG制作的相機將空間分辨率從16兆像素降低到0.1兆像素，但是從現(xiàn)在數(shù)碼相機電子感光元件這個發(fā)展趨勢看，解決這個問題指日可待。這些像素間距小于2.0微米的小型1/1.8電子感光元件的分辨率絕大多數(shù)都被浪費掉了，主要是因為鏡頭的解像力還很有限。再好的鏡頭也會遇到這種問題，比如2.0光圈會受到衍射的影響，2.8也會受到這種影響，同時相機的有效分辨率基本都在8兆以下。非常微小的CCD或者CMOS單元也只能聚集少量的電荷，如果電荷過高就會增加圖像的噪點。

但是隨著電子感光元件制造技術(shù)的不斷發(fā)展，CCD的面積不斷的變大，比如哈蘇H6D使用的電子感光元件尺寸就可以解析到400兆像素以上，足夠用在光場相機40*40像素的方向分辨率捕捉圖像上了。鏡頭解像力不再成為問題了，是因為相機的空間分辨率比電子感光元件小了很多個數(shù)量級。另外由于合成圖像的每個像素點都會超過1000個電子感光元件的像素，所以一般的噪點也會被屏蔽掉。

光場攝影現(xiàn)在還在不斷的完善階段，由于很多方面的限制，比如研發(fā)的時間短，硬件十分有限，所以相比常規(guī)的數(shù)碼相機還是落后的。但是隨著研發(fā)人員的不斷研究嘗試，電子感光元件不斷升級，未來一旦他們將更加高科技的電子感光元件應(yīng)用到這個技術(shù)領(lǐng)域當中，光場攝影一定會有其自己的一片天地。

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