光场成像技术的革新与前景分析

许经捷

北京师范大学艺术与传媒学院，北京 100875

光场成像技术的革新与前景分析

许经捷

北京师范大学艺术与传媒学院，北京 100875

本文主要针对光场成像技术这个全新的领域，深入探讨光场成像技术的前景极其对摄影界的革新，分析光场成像技术的优势与现今光场相机仍存在的不足，研究光场成像的革新意义，希望为光场成像技术的发展提供参考与建议。

光场成像技术；前景；革新

1 摄影界的一个伟大的突破

有人说过的一句精辟的语言：摄影家的能力是把日常生活中稍纵即逝的平凡事物转化为不朽的视觉图像。而相机便是摄影家捕捉视觉图像的工具。自摄影诞生至今，相机经历了由繁琐的板式摄影到胶片摄影、胶片摄影至数码摄影的过程，时至今日，各式各样的数码相机令人眼花缭乱，其丰富的功能也让人把玩不断。

然而，当今的摄影技术仍存在不足之处。无论是胶片相机还是传统数码相机，都不过是纯粹地捕捉二维画面，在拍照的过程中失去了来自不同位置光线的方向信息。这样的摄影在理论上根本称不上“捕捉瞬间”，最多是“捕捉画面”罢了。

但时代总是在前进着，几个世纪前达芬奇勾画的坦克、直升机、机械计算器已经成为现实。现在，他的另一个想象力的翅膀也终于实现了——一种成像设备，具有捕捉每个光学场景的能力，这就是基于光场成像技术的光场相机。

它不仅仅记录落在每个感光单元所有光线的总和，还旨在测定每个进入的光线强度和方向。有了这些信息，人们就可以生成不只是一个，而是每一个在那一刻进入相机视野的可能的图象。

2 光场成像技术原理

“光场是空间中同时包含位置和方向信息的四维光辐射场的参数化表示。”[1]光场数据的获取为数字成像的计算提供了更多可行的走向。传统拍摄方式在目标物移动速度较快或是间距过远时，容易因为焦平面较小而导致失焦、跑焦的情况，因而对于高速运动的目标物，想将其一瞬间的形态捕捉下来并正确对焦，是非常难以实现的。同时，要减少目标物高速运动而带来的运动模糊，如果将曝光时间缩短，则容易导致摄得的图像过暗，增大光圈孔径则容易造成景深过小，背景模糊不清晰；而对主体较多的目标范围来说，由于焦点时常对在中心位置的物体上，因而导致周围物体因聚焦不足而出现模糊不清的情况。调小光圈的拍摄方法仅仅能在光线充足的情况下使用，在拍摄光线严重不足的室内往往会导致目标曝光不足而过暗。 光场成像通过记录光辐射在传播过程中的四维位置和方向的信息，相较传统仅纪录两个维度的拍摄方式足足多出两个维度，因而在图像重建过程中，能够获得更加丰富的图像信息。于此同时，还能通过独特的精密数字计算进行成像重新对焦，从而解决图像失焦、难以多者同时对焦等问题。

除此之外，随着光场成像技术的不断发展，其优秀的成像能力受到诸多行业的关注，现已逐渐运用到了航空拍摄、动画渲染、立体投影、精密科学仪器等多个应用领域。

3 消费级光场相机发展现状——以Lytro相机为代表

2006年，美国斯坦福大学电脑科学系新加坡籍博士生吴义仁（Ng），与几名研究员创制出便携式光场相机。随后，将这个独特的发明投入商业运作的想法便出现在Ng的脑海中。

2011年10月20日，经过年初的初步产品演示之后，Lytro公司正式发布了世界首款消费级光场相机[2]。它就像一个拉长了的IPOD NANO，具备阳极电镀的铝制外壳，后端由握持感良好的橡胶材质构成。整个相机仅有两个按钮：电源和快门，还有一个触摸式的变焦杆。

4 成像效果及不足

数码重聚焦技术是光场相机的一大卖点，通过软件后期处理，Lytro相机能够轻易的实现可变焦点间的切换。

样片

从样片中的对比可见，Lytro光场相机的焦点转换系统效果十分明显，令人眼前一亮。在实际使用中，焦点切换的处理速度飞快，几乎实现了零延迟，用户可以在轻点屏幕的瞬间轻易地切换照片的焦点。

Lytro相机所拍摄的图片给人的第一感觉是色彩鲜明，而且色彩的真实度很高，还原性较好。同时，作为光场相机，其明暗对比度很高，你几乎可以选择聚光在一个逆光的物体上，甚至直接对着太阳拍摄。

然而，光场相机在拍摄方面虽然有革命性的变革，但囿于光场成像技术仍处于发展阶段尚未成熟，现今的光场相机，以Lytro为例，都存在着相片像素不高的状况。通过截图导出的JPEG图片，大约只有120万像素，这一现象远远低于当下人们的使用需求，尤其是在许多手机摄像头已经实现了千万级像素的今天。同时，照片的噪点极多，多数时候极大地影响了用户的使用体验，质量有待提高。

4 总结与展望

光场成像技术发展至今，足足已一个世纪有余，从最初的理论实验，到近代的计算机应用，再到这几年的消费级光场相机，百年间光场成像技术的研究与实践已经有了质的飞跃。随着CPU运算速度的飞速增长和重构算法的不断改进，与计算机技术紧密相关的光场成像技术的发展前景可以说是相当乐观的。仅现阶段其可实用领域便十分广阔：对摄影家来说，数字重聚焦技术另其摆脱了散焦、失焦的困扰；同时对于高速摄影及低感感摄影，光场成像具备独特的优势；在安全领域，能够通过合成孔径技术实现“透视”监控；在动画及影视传媒领域，可以通过光场数据合成视角来实现虚拟3D甚至于全息投影等…未来，倘若能将光场成像技术应用在连续动态图像中，想必将会在影像界造成前所未有的轰动。我们生活在一个三维的世界，传统二维成像技术带给我们的影像是有限的，而立足于四维信息捕捉的光场成像技术能够通过信息整合与计算，带给我们这个世界更加生动、细腻、真实的缩影。相信在不远的将来，随着科技的不断发展，光场成像技术将为人类带来更多的震撼。

[1]聂云峰，相里斌，周志良.光场成像技术进展[J].中国科学院研究生院学报，2011.

[2]玉牙青青.先拍照，后对焦——颠覆传统的光场相机Lytro[J].中国摄影家，2013.

G2

A

1674-6708（2015）142-0121-01

许经捷，本科在读，工作单位：北京师范大学艺术与传媒学院，研究方向：数字媒体艺术