許經(jīng)捷

北京師范大學(xué)藝術(shù)與傳媒學(xué)院，北京 100875

光場(chǎng)成像技術(shù)的革新與前景分析

許經(jīng)捷

北京師范大學(xué)藝術(shù)與傳媒學(xué)院，北京 100875

本文主要針對(duì)光場(chǎng)成像技術(shù)這個(gè)全新的領(lǐng)域，深入探討光場(chǎng)成像技術(shù)的前景極其對(duì)攝影界的革新，分析光場(chǎng)成像技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與現(xiàn)今光場(chǎng)相機(jī)仍存在的不足，研究光場(chǎng)成像的革新意義，希望為光場(chǎng)成像技術(shù)的發(fā)展提供參考與建議。

光場(chǎng)成像技術(shù)；前景；革新

1 攝影界的一個(gè)偉大的突破

有人說(shuō)過(guò)的一句精辟的語(yǔ)言：攝影家的能力是把日常生活中稍縱即逝的平凡事物轉(zhuǎn)化為不朽的視覺(jué)圖像。而相機(jī)便是攝影家捕捉視覺(jué)圖像的工具。自攝影誕生至今，相機(jī)經(jīng)歷了由繁瑣的板式攝影到膠片攝影、膠片攝影至數(shù)碼攝影的過(guò)程，時(shí)至今日，各式各樣的數(shù)碼相機(jī)令人眼花繚亂，其豐富的功能也讓人把玩不斷。

然而，當(dāng)今的攝影技術(shù)仍存在不足之處。無(wú)論是膠片相機(jī)還是傳統(tǒng)數(shù)碼相機(jī)，都不過(guò)是純粹地捕捉二維畫(huà)面，在拍照的過(guò)程中失去了來(lái)自不同位置光線(xiàn)的方向信息。這樣的攝影在理論上根本稱(chēng)不上“捕捉瞬間”，最多是“捕捉畫(huà)面”罷了。

但時(shí)代總是在前進(jìn)著，幾個(gè)世紀(jì)前達(dá)芬奇勾畫(huà)的坦克、直升機(jī)、機(jī)械計(jì)算器已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)?，F(xiàn)在，他的另一個(gè)想象力的翅膀也終于實(shí)現(xiàn)了——一種成像設(shè)備，具有捕捉每個(gè)光學(xué)場(chǎng)景的能力，這就是基于光場(chǎng)成像技術(shù)的光場(chǎng)相機(jī)。

它不僅僅記錄落在每個(gè)感光單元所有光線(xiàn)的總和，還旨在測(cè)定每個(gè)進(jìn)入的光線(xiàn)強(qiáng)度和方向。有了這些信息，人們就可以生成不只是一個(gè)，而是每一個(gè)在那一刻進(jìn)入相機(jī)視野的可能的圖象。

2 光場(chǎng)成像技術(shù)原理

“光場(chǎng)是空間中同時(shí)包含位置和方向信息的四維光輻射場(chǎng)的參數(shù)化表示?！盵1]光場(chǎng)數(shù)據(jù)的獲取為數(shù)字成像的計(jì)算提供了更多可行的走向。傳統(tǒng)拍攝方式在目標(biāo)物移動(dòng)速度較快或是間距過(guò)遠(yuǎn)時(shí)，容易因?yàn)榻蛊矫孑^小而導(dǎo)致失焦、跑焦的情況，因而對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)物，想將其一瞬間的形態(tài)捕捉下來(lái)并正確對(duì)焦，是非常難以實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，要減少目標(biāo)物高速運(yùn)動(dòng)而帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)模糊，如果將曝光時(shí)間縮短，則容易導(dǎo)致攝得的圖像過(guò)暗，增大光圈孔徑則容易造成景深過(guò)小，背景模糊不清晰；而對(duì)主體較多的目標(biāo)范圍來(lái)說(shuō)，由于焦點(diǎn)時(shí)常對(duì)在中心位置的物體上，因而導(dǎo)致周?chē)矬w因聚焦不足而出現(xiàn)模糊不清的情況。調(diào)小光圈的拍攝方法僅僅能在光線(xiàn)充足的情況下使用，在拍攝光線(xiàn)嚴(yán)重不足的室內(nèi)往往會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)曝光不足而過(guò)暗。 光場(chǎng)成像通過(guò)記錄光輻射在傳播過(guò)程中的四維位置和方向的信息，相較傳統(tǒng)僅紀(jì)錄兩個(gè)維度的拍攝方式足足多出兩個(gè)維度，因而在圖像重建過(guò)程中，能夠獲得更加豐富的圖像信息。于此同時(shí)，還能通過(guò)獨(dú)特的精密數(shù)字計(jì)算進(jìn)行成像重新對(duì)焦，從而解決圖像失焦、難以多者同時(shí)對(duì)焦等問(wèn)題。

除此之外，隨著光場(chǎng)成像技術(shù)的不斷發(fā)展，其優(yōu)秀的成像能力受到諸多行業(yè)的關(guān)注，現(xiàn)已逐漸運(yùn)用到了航空拍攝、動(dòng)畫(huà)渲染、立體投影、精密科學(xué)儀器等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。

3 消費(fèi)級(jí)光場(chǎng)相機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀——以L(fǎng)ytro相機(jī)為代表

2006年，美國(guó)斯坦福大學(xué)電腦科學(xué)系新加坡籍博士生吳義仁（Ng），與幾名研究員創(chuàng)制出便攜式光場(chǎng)相機(jī)。隨后，將這個(gè)獨(dú)特的發(fā)明投入商業(yè)運(yùn)作的想法便出現(xiàn)在Ng的腦海中。

2011年10月20日，經(jīng)過(guò)年初的初步產(chǎn)品演示之后，Lytro公司正式發(fā)布了世界首款消費(fèi)級(jí)光場(chǎng)相機(jī)[2]。它就像一個(gè)拉長(zhǎng)了的IPOD NANO，具備陽(yáng)極電鍍的鋁制外殼，后端由握持感良好的橡膠材質(zhì)構(gòu)成。整個(gè)相機(jī)僅有兩個(gè)按鈕：電源和快門(mén)，還有一個(gè)觸摸式的變焦桿。

4 成像效果及不足

數(shù)碼重聚焦技術(shù)是光場(chǎng)相機(jī)的一大賣(mài)點(diǎn)，通過(guò)軟件后期處理，Lytro相機(jī)能夠輕易的實(shí)現(xiàn)可變焦點(diǎn)間的切換。

樣片

從樣片中的對(duì)比可見(jiàn)，Lytro光場(chǎng)相機(jī)的焦點(diǎn)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)效果十分明顯，令人眼前一亮。在實(shí)際使用中，焦點(diǎn)切換的處理速度飛快，幾乎實(shí)現(xiàn)了零延遲，用戶(hù)可以在輕點(diǎn)屏幕的瞬間輕易地切換照片的焦點(diǎn)。

Lytro相機(jī)所拍攝的圖片給人的第一感覺(jué)是色彩鮮明，而且色彩的真實(shí)度很高，還原性較好。同時(shí)，作為光場(chǎng)相機(jī)，其明暗對(duì)比度很高，你幾乎可以選擇聚光在一個(gè)逆光的物體上，甚至直接對(duì)著太陽(yáng)拍攝。

然而，光場(chǎng)相機(jī)在拍攝方面雖然有革命性的變革，但囿于光場(chǎng)成像技術(shù)仍處于發(fā)展階段尚未成熟，現(xiàn)今的光場(chǎng)相機(jī)，以L(fǎng)ytro為例，都存在著相片像素不高的狀況。通過(guò)截圖導(dǎo)出的JPEG圖片，大約只有120萬(wàn)像素，這一現(xiàn)象遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于當(dāng)下人們的使用需求，尤其是在許多手機(jī)攝像頭已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了千萬(wàn)級(jí)像素的今天。同時(shí)，照片的噪點(diǎn)極多，多數(shù)時(shí)候極大地影響了用戶(hù)的使用體驗(yàn)，質(zhì)量有待提高。

4 總結(jié)與展望

光場(chǎng)成像技術(shù)發(fā)展至今，足足已一個(gè)世紀(jì)有余，從最初的理論實(shí)驗(yàn)，到近代的計(jì)算機(jī)應(yīng)用，再到這幾年的消費(fèi)級(jí)光場(chǎng)相機(jī)，百年間光場(chǎng)成像技術(shù)的研究與實(shí)踐已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍。隨著CPU運(yùn)算速度的飛速增長(zhǎng)和重構(gòu)算法的不斷改進(jìn)，與計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密相關(guān)的光場(chǎng)成像技術(shù)的發(fā)展前景可以說(shuō)是相當(dāng)樂(lè)觀(guān)的。僅現(xiàn)階段其可實(shí)用領(lǐng)域便十分廣闊：對(duì)攝影家來(lái)說(shuō)，數(shù)字重聚焦技術(shù)另其擺脫了散焦、失焦的困擾；同時(shí)對(duì)于高速攝影及低感感攝影，光場(chǎng)成像具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)；在安全領(lǐng)域，能夠通過(guò)合成孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)“透視”監(jiān)控；在動(dòng)畫(huà)及影視傳媒領(lǐng)域，可以通過(guò)光場(chǎng)數(shù)據(jù)合成視角來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬3D甚至于全息投影等…未來(lái)，倘若能將光場(chǎng)成像技術(shù)應(yīng)用在連續(xù)動(dòng)態(tài)圖像中，想必將會(huì)在影像界造成前所未有的轟動(dòng)。我們生活在一個(gè)三維的世界，傳統(tǒng)二維成像技術(shù)帶給我們的影像是有限的，而立足于四維信息捕捉的光場(chǎng)成像技術(shù)能夠通過(guò)信息整合與計(jì)算，帶給我們這個(gè)世界更加生動(dòng)、細(xì)膩、真實(shí)的縮影。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，隨著科技的不斷發(fā)展，光場(chǎng)成像技術(shù)將為人類(lèi)帶來(lái)更多的震撼。

[1]聶云峰，相里斌，周志良.光場(chǎng)成像技術(shù)進(jìn)展[J].中國(guó)科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào)，2011.

[2]玉牙青青.先拍照，后對(duì)焦——顛覆傳統(tǒng)的光場(chǎng)相機(jī)Lytro[J].中國(guó)攝影家，2013.

G2

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1674-6708（2015）142-0121-01

許經(jīng)捷，本科在讀，工作單位：北京師范大學(xué)藝術(shù)與傳媒學(xué)院，研究方向：數(shù)字媒體藝術(shù)