光場(chǎng)成像技術(shù)進(jìn)展_聶云峰 - 綜述

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1、第28卷第5期中國科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào)Vol．28No．52011年9月JournalofGraduateUniversityofChineseAcademyofSciencesSeptember2011文章編號(hào):1002-1175(2011)05-0563-10綜述*光場(chǎng)成像技術(shù)進(jìn)展1，211聶云峰，相里斌，周志良(1中國科學(xué)院光電研究院，北京100094;2中國科學(xué)院研究生院，北京100049)(2010年11月15日收稿;2010年12月14日收

2、修改稿)NieYF，XiangliB，ZhouZL．Advancesinlightfieldphotographytechnique［J］．JournalofGraduateUniversityofChineseAcademyofSciences，2011，28(5):563－572．摘要?dú)w納總結(jié)了光場(chǎng)成像從理論到實(shí)現(xiàn)的發(fā)展歷程，根據(jù)光場(chǎng)數(shù)據(jù)獲取方式對(duì)目前典型的光場(chǎng)成像設(shè)備進(jìn)行了分類．在光場(chǎng)相機(jī)原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了基于光場(chǎng)的計(jì)算成像原理、數(shù)字重聚焦技術(shù)、合成孔徑成像技術(shù)和顯微成像技術(shù)，并對(duì)光場(chǎng)成像技術(shù)的應(yīng)用前景和存在的關(guān)鍵問題進(jìn)行了討論．關(guān)鍵

3、詞光場(chǎng)相機(jī)，數(shù)字重聚焦，合成孔徑成像，光場(chǎng)顯微鏡中圖分類號(hào)TB879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，光場(chǎng)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

4、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(chǎng)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(chǎng)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．1光場(chǎng)成像:從理論到實(shí)現(xiàn)［1］光場(chǎng)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

5、射按角度進(jìn)行重分布后記錄在光探測(cè)器上，避免了角度信息的丟失．［2］1908年，Lippman發(fā)明集成照相術(shù)(integralphotography，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．［3］Gershun在1936年提出光場(chǎng)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．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*國家自然科學(xué)基金(60972088)資助E-mail:nyfwind

6、@gmail．com564中國科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào)第28卷輻射量．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．［4］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?chǎng)圖像，而非傳統(tǒng)只記錄強(qiáng)度信息的二維圖像．［5-6］［7-10］［11-12］［13］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

7、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(chǎng)理論成功運(yùn)用到［14］計(jì)算機(jī)視覺，并提出全光場(chǎng)理論(plenoptictheory)．［15］光場(chǎng)理論的進(jìn)一步完善歸功于1996年Levoy的光場(chǎng)渲染理論(lightfieldrendering，LFR)，他將光場(chǎng)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(chǎng)相［16］機(jī)，其原理簡(jiǎn)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(chǎng)顯微鏡(lightfieldmicroscopy，LFM)，

8、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［17］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(chǎng)理論的進(jìn)