1.前言

光場是空間中同時(shí)包含位置和方向信息的四維光輻射場的參數(shù)化表示，光場數(shù)據(jù)的獲取為計(jì)算成像提供了很多新的發(fā)展方向。

傳統(tǒng)成像方式在拍攝高速運(yùn)動(dòng)或者多主體較大間距物體時(shí)，容易出現(xiàn)失焦、跑焦現(xiàn)象。對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)物體來說，想抓住精彩一瞬的同時(shí)對(duì)準(zhǔn)焦是非常困難的。此外，要減少高速運(yùn)動(dòng)物體帶來的運(yùn)動(dòng)模糊，如果減少曝光時(shí)間則導(dǎo)致圖像太暗，增大孔徑則造成景深太小，背景模糊。而對(duì)多主體目標(biāo)物來說，焦點(diǎn)往往對(duì)準(zhǔn)在中心物體上，其他目標(biāo)由于景深過小往往看不清細(xì)節(jié)。調(diào)小光圈的方法在光線充足的情況下可以使用，但是在拍攝光線不足的室內(nèi)條件下會(huì)帶來曝光不足的問題。

光場成像通過記錄光輻射在傳播過程中的四維位置和方向的信息，相比只記錄二維的傳統(tǒng)成像方式多出2個(gè)自由度，因而在圖像重建過程中，能夠獲得更加豐富的圖像信息。此外，還能通過數(shù)字重聚焦技術(shù)解決特殊場合圖像的失焦、背景目標(biāo)過多等問題; 通過合成孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)“透視”監(jiān)視; 在與顯微技術(shù)融合后，還能得到多視角大景深顯微圖像，以及重建后的三維立體圖。

2.光場成像的發(fā)展

光場成像的雛形可以追溯到1903年Ives 發(fā)明的雙目視差顯示系統(tǒng)中運(yùn)用的針孔成像技術(shù)，通過在主透鏡的像面處放置針孔面陣列，從而使原像面處的光輻射按角度進(jìn)行重分布后記錄在光探測器上，避免了角度信息的丟失。

1908 年，Lippman 發(fā)明集成照相術(shù)( integral photography，IP)，后來被廣泛運(yùn)用于三維全息成像．通過用微透鏡陣列代替針孔面陣列，在底片上接收到有微小差別的一系列基元圖像，消除了Ives 裝置中的彌散斑。

Gershun 在1936年提出光場的概念，將其定義為光輻射在空間各個(gè)位置向各個(gè)方向的傳播［3］。他認(rèn)為，到達(dá)空間不同點(diǎn)處的光輻射量連續(xù)變化，能夠通過幾何分析進(jìn)而積分的方法來計(jì)算像面上每點(diǎn)的光輻射量。但是，由于計(jì)算量龐大，能夠進(jìn)行高次運(yùn)算的計(jì)算機(jī)尚未出現(xiàn)，所以當(dāng)時(shí)未能對(duì)其理論進(jìn)行驗(yàn)證。

1948 年，Gabor 利用2 束相干光干涉記錄下物體衍射未聚焦的波前，獲得第一張全息圖。如果把這張全息圖看作是包含方向和位置信息的光輻射函數(shù)，那么這其實(shí)也是一張?zhí)厥獾墓鈭鰣D像，而非傳統(tǒng)只記錄強(qiáng)度信息的二維圖像。

20 世紀(jì)六七十年代，Okoshi、Dudnikov、Dudley、Montebello等學(xué)者對(duì)IP 技術(shù)進(jìn)行了不斷的改進(jìn)，微透鏡陣列在成像方面的作用也得以凸顯。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和微透鏡制作精度的提高，Adelson 于1992年將光場理論成功運(yùn)用到計(jì)算機(jī)視覺，并提出全光場理論( plenoptic theory)。

光場理論的進(jìn)一步完善歸功于1996 年Levoy 的光場渲染理論( light field rendering，LFR)，他將光場進(jìn)行參數(shù)化表示，并提出計(jì)算成像公式。在此基礎(chǔ)上，2005 年，Ng 發(fā)明了第一臺(tái)手持式光場相機(jī)，其原理簡單，使用方便。2006 年，Levoy 將LFR 理論運(yùn)用于顯微成像，并研制出光場顯微鏡( lightfield microscopy，LFM) ，能夠一次曝光得到多個(gè)視角多組焦平面圖像，從而得到大景深的顯微圖片，并可進(jìn)行三維重建。

目前，隨著光電技術(shù)及器件的發(fā)展和光場理論的進(jìn)一步完善，光場成像正逐步滲透到航空拍攝、動(dòng)畫渲染、安全監(jiān)視、科學(xué)儀器、攝影傳媒、立體顯示等各個(gè)領(lǐng)域，并朝著集成化、實(shí)用化、多元化的方向邁進(jìn)。

3.光場的定義及其獲取方式

3.1.光場的定義

 

圖1. 光場的四維參數(shù)化