【《全光场成像的基本原理》2500字】

第第页全光场成像的基本原理光场成像目前在采集和重聚焦两方面都有着多样的选择，到底都有什么样的采集和重聚焦方式，其中各种方式的优点缺点都有什么，我会一一罗列，最终也会给出我自己的选择及其原因。选择调制器件和构建整体方案的目的在于，对小型化光场相机做出实质性的试验尝试，只有实验产物可行，才能保留并作为给出方案的依据。光场相机的特点在前文中我也有说过，先拍照，之后利用计算机实现在任意点的聚焦。因此光场相机的工作顺序和传统相机是相反的。1.1光场采集结构介绍（光场调制器件） 目前能够完成光场信息采集功能的解决方案一共有三种，第一种是通过相机阵列采集光信息，第二种是基于微透镜阵列的光信息采集结构，第三种是基于掩膜的光信息采集结构。总结了三种采集系统在现实中的应用情况及产品化进度，具体如图。图2-1光场相机各种采集系统的演化 我们可以清楚的看到，目前信息采集方式一共有三种,分别是相机阵列/单相机扫描采集、微透镜阵列结构采集和掩膜采集，而重聚交算法有两种，分别是基于空域积分投影形成的算法和基于频域切片变换形成的算法，其中空域积分投影形成的算法可以和微透镜阵列与相机阵列/单相机扫描相结合，频域切片变换算法与掩膜采集相结合。在这些组合中走的最远的，是基于微透镜阵列的光信息采集结构，也是目前唯一拥有商业化成品的解决方案。相机阵列/单相机扫描或掩膜采集光信息，目前最新的成果仍为实验室产物，具体可以参考上文中斯坦福大学的相机阵列。这里主要介绍一下基于微透镜阵列的光采集和基于掩膜的光场采集。1.1.1基于微透镜阵列结构的光信息采集系统 微透镜阵列是将传统成像系统转化为光场成像系统的关键，其由若干微型面元透镜组成，能够同时记录来自完不同方向、角度的光信息，以我个人浅显的理解来看，我认为它是相机阵列的微观表现，其原因在于二者的功能基本没有区别，且微透镜阵列用起来更为灵活。一般的，微透镜阵列光信息采集系统由一个图像传感器、微透镜阵列及一个凸透镜组成。图2-2微透镜阵列采集 上图为微透镜阵列的基本成像结构，这是第二代商品化的光场相机的原理结构图。这个结构的特点是微透镜阵列聚焦于主透镜的像面，这样一来能够让微透镜的每个面元透镜单独接收一部分图像并传递给图像传感器。至于为什么要这样做，具体需要参考接下来我们要介绍的四维光场理论。1.1.2四维光场的理论概念 上文中我们有提到，全光函数是一个七维函数，能够尽可能完整地记录空间中光线的传输情况。其中的某些变量其实是可以通过固定条件来简化的，不考虑波长和强度随时间变化带来的影响，函数可以降低到五维；如果我们认为光在传播的过程中强度不变，那强度也可以固定，这样就全光函数就从七维被简化成了四维光场函数，其具体公式如下：L=L(u,v,s,t) 这一函数表示了光线与光强、光场的位置和传播方向之间的关系，也可以用两个相互平行的平面及一条光线之间的交点的坐标来表征。[14]具体情况如图图2-3四维光场表征 如图，L=L(u,v,s,t)代表了一条自由光线，公式左侧的L代表光强，光线和两个二维坐标系的交点即为（u,v）和(s,t)，这就是空间光场中的一个采样。如果整个坐标系内，所有的采样点都和空间中光线存在唯一的对应关系，四维坐标系可以直接化简为二维平面坐标系。图2-4二维平面坐标系 点（u,s）即为二维平面下的光线和平面的交点。将传统的成像系统做抽象化的处理，两个平行的平面也可以用于表示传统成像系统。我们可以假设在传统呈现系统中，图像传感器平面和相机镜头的光瞳面，其中图像传感器的像面坐标为（x，y），相机镜头光瞳面的坐标是（u，v）。这两组坐标分别用于表示光线的分布位置和光线的传输方向。[25]图2-5图像传感器及相机镜头光瞳面坐标 该图为传统光场的图像分布，如果对图像传感器上的每一个点进行积分，最终能够得到在图像传感器平面坐标系中，点（x,y）处的光照度，其具体公式为：I（2-1）最终简化为二位平面坐标后，传统成像系统就丢失了方向信息，子还保留了光强和位置之间的信息。[20]具体如图图2-6简化到二维平面后的传统成像 说回前文，基于微透镜阵列结构的光场信息采集，其每一个面元透镜最终投影在图像传感器上的成像结果如图图2-7微透镜阵列采集信息后的投影（传感器视角）1.1.3基于掩膜的光场信息采集 掩膜是独立于之前两种采集的新一种形式。无论是微透镜阵列还是相机阵列，都没有离开阵列的概念。微透镜阵列通过多个面元透镜组成阵列，相较于相机阵列和单相机采集，微透镜阵列体积小、成本低，但其缺点在于图像分辨率不足；相机阵列通过m×n个相机组合排列来记录光场信息，相比于微透镜阵列，其图像分辨率要高很多，但其体积巨大、需要的传感器数量之多，成为了他普遍应用的一道门槛。因此在光场采集这一方面，一直都在角度分辨率和图像分辨率中找平衡点。但掩膜的出现打破了这样的情况，研究者在传统的成像结构中，加入了一片掩膜（半透明编码掩膜），在这个掩膜中，每一个像素点的编码模式都不同（即光线透过率不同），光线在投影到传感器上之前会被掩膜调制。这种方式的典型代表又Veeraraghavan的掩膜光场相机[15]，具体如图。图2-8掩膜光场采集 掩膜采集到的光场信息，其频域呈规律性分布，与光场数据的频域特性相似，能够通过计算处理得到四维光场信息。掩膜的优点在于其并非折射类元器件，这使得整个成像系统会更加简单，初级数据处理更加容易。1.2光场信息处理方法 根据上文我们能够得知，光场信息通过固定参数后能够简化到四维光场，我们将四维光场内的信息进行记录和采集，就能够根据得到的数据进行计算重新为光场定一个投影面，让光信息在新的投影面上呈现。直白一些地讲，就是通过光场成像原理让数据投影到新的像面上进行积分，这就是数字重聚焦（DigitalRefocusing）。而这个重聚焦共有两种思路，一种是空域积分投影，一种是频域切片变换，向上引申的话，可以理解为是空间复用和频率复用两种思路。实现的途径我采用软件Matlab作为算法的编译基础。[16] 空间复用是通过传感器去采集来自空间中光的不同的二维采样，并将它们交错排列。通常空间复用都是通过在图像传感器上加装针孔阵列或微透镜阵