光场相机
光场相机
特点
• 一、先拍照，再对焦
• 数码相机，只捕捉一个光面对焦成像，中心清晰， 焦外模糊；光场相机则是记录下所有方向光束的 数据，后期在电脑中根据需要选择对焦点，照片 的最后成像效果要在电脑上处理完成。
• 二、体积小，速度快
• 由于采用与数码数码不同的成像技术，光 场相机没有数码相机上复杂的聚焦系统， 整体体积较小，操作也比较简单；同时由 于不用选择对焦，拍摄的速度也更快。
光场相机
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光场相机又名Lytro相机，是美国Lytro公司于 2012年推出的。美国《时代》杂志评选的2012十 大科技产品中，Lytro光场相机位列第五。Lytro光 场相机是一款“非主流”的相机，可以捕捉到镜 头前整个场景的所有光线，所得照片可以在专用 的软件上自由改变焦点，使用户可以获得全新的 拍摄及后期处理的体验。
• 这部特制相机置于主镜头及感光器之间， 有一个布满9万个微型镜片的显微镜阵列， 每个小镜阵列接收由主镜颈而来的光线后 ，传送到感光器前，析出聚焦光线及将光 线资料转换，以数码方式记下。相机内置 软件操作“已扩大光场”，追踪每条光线 在不同距离的影像上的落点，经数码重新 对焦后，便能拍出完美照片。
应用领域
• 由于光场相机的捕捉面广，能恢复出任意 视角、景深的影像信息，因此其应用领域 较广泛，主要可用于： • 合成光场描绘、合成孔径成像、多视点立 体显示、安防监控等，在将来还会将其与 手机功能融合，真正实现人手一部。
• 而且，“光场相机”一反传统，减低镜头 孔径大小及景深，以小镜阵列控制额外光 线，展露每个影像的景深，再将微小的次 影像投射到感光器上，所有聚焦影像周围 的朦胧光圈变为“清晰”，保持旧有相机 的大孔径所带来的增加光度、减少拍照时 间及起粒的情况，不用牺牲景深及及影像 清晰度。
光场相机原理
光场相机原理
光场相机原理是一种新兴的摄影技术，其主要原理是利用多个微透镜阵列捕捉光线进入相机的方向和强度信息。
与传统相机不同，光场相机通过在图像传感器上放置微透镜阵列来记录光线的路径和方向信息，从而实现对光场的高精度记录。
在光场相机中，每个微透镜都可以看作一个微型相机，它能够接收到特定方向上的光线并将其聚焦到相应的像素上。
通过记录每个微透镜上进入相机的光线方向和强度信息，光场相机可以得到一组包含了光线传播的完整信息的图像数组，也被称为光场数据。
在获得了光场数据后，利用光场相机的软件算法可以进行后续的图像处理。
其中最常见的应用是改变焦点和景深。
传统相机在拍摄时需要通过调整镜头的焦距来改变焦点位置，而光场相机则可以通过解析光场数据在后期进行对焦，从而实现在不同距离上的物体都能保持清晰的成像效果。
此外，光场相机还可以通过对光场数据进行相应运算，实现改变景深的效果，使得被拍摄物体的前景和背景都能保持清晰，并且可以在后期进行灵活的调整。
除了改变焦点和景深，光场相机还有其他一些应用领域。
例如，通过对光场数据进行解析和处理，可以实现三维立体图像的生成，从而为虚拟现实、增强现实和全息投影等领域提供更丰富的图像数据。
此外，光场相机还可以利用光线传播信息来进行深度感知，实现跟踪和识别目标物体的功能，在机器视觉和自动驾驶等领域有着广泛的应用前景。
总之，光场相机通过多个微透镜阵列记录光线的方向和强度信息，实现了对光场的高精度捕捉。
借助光场数据的处理和算法，光场相机可以实现改变焦点、景深以及其他一些特殊效果的功能。
随着技术的不断发展和创新，相信光场相机在未来将为摄影领域带来更加出色的成像效果和更广泛的应用空间。
(PPT)光场相机
Pixel P1
Pixel P2
X
Sensor plane: (X,Y) Pixel P1 Pixel P2
Kayvon Fatahalian, Graphics and Imaging Architectures (CMU 15-869, Fall 2011)
Decrease aperture size
Captured light eld
16 MP sensor 296 x 296 micolens array 12 x 12 pixels per microlens
Image: Ng et al. 2006
Kayvon Fatahalian, Graphics and Imaging Architectures (CMU 15-869, Fall 2011)
World plane of focus
Ray space plot
U
Pixel 1
Lens aperture: (U,V)
X
Microlens array Sensor plane: (X,Y)
Pixel 1 Kayvon Fatahalian, Graphics and Imaging Architectures (CMU 15-869, Fall 2011)
Wilburn et al. 2005
Host PC with disk array
Kayvon Fatahalian, Graphics and Imaging Architectures (CMU 15-869, Fall 2011)
Captured light eld
Kayvon Fatahalian, Graphics and Imaging Architectures (CMU 15-869, Fall 2011)
Raytrix公司光场相机
Raytrix公司光场相机-R系列概述：Raytrix GmbH公司创建于2008年，其光场相机技术处于世界领先地位，是全球唯一的工业级光场相机。
现凌云与Raytrix达成了战略合作关系，成为Raytrix全线产品的代理商，并可进行从五百万到七千万像素的产品定制。
光场相机在结构原理和成像结果与普通相机有很大的不同，一次拍摄即可捕获视场范围内所有光矢量信息(如灰度、颜色、空间位置、尺寸等)。
通过后期的重聚焦可获得不同景深的图像信息，以及景物的深度信息。
而这项技术的关键在于Raytrix在主镜头与图像传感器间加了独特的微透镜阵列，如下图所示，光场相机则是物体透过主镜头后由微透镜重新聚焦成像，从而不同位置的微透镜可采集到像素点完整的图像信息和位置信息。
技术原理：光线在自由空间中的传播是可以用两个平面、四个坐标(四维量，学术上称为光场)来唯一表示的，而成像过程是对这个四维光场进行了一个二维积分，从而得到了二维图像。
光场相机可采集空间中任意点发出的任意方向的光，相当于直接记录了四维光场，不同焦深的图像再做不同情况下的二维积分，得到不同物距的图像信息。
Raytrix的核心技术优势在于：1、利用在相机的主镜头和传感器之间加入三种不同焦距的微透镜组成的阵列获取光场信息，从而很大程度上扩大了景深;2、通过专业的软件算法对获取的图像信息进行重聚焦，从而得到高分辨率的四维光场信息。
一次取景即可获得3D影像和3D景深信息，从而实现:a.具有立体视差的多视角影像;b.软件自由对焦;c.全幅对焦;d.立体深度信息。
3、专业的相机矫正与图像重建技术：Raytrix光场相机在成像过程中不仅从硬件上对光路进行了矫正，还从软件上对图像的畸变进行了矫正，它通过对标定板的两次拍摄(如图1)建立起物体的图像坐标系与物理坐标系中像素点的坐标对应关系，从而还原了物体的真实数据信息，如下图所示，矫正前图像的深度以及弧度都是有畸变的，经过矫正后能还原物体的真实信息，再经过对图像的拼接后可获得物体完整3D图像结构。
Lytro光场相机
Lytro光场相机：先拍照再对焦还在纠结于辛苦拍到的照片跑焦了吗？还在苦苦计算相机超焦距景深范围吗？不如把对焦这个麻烦的工作带回家再说吧！世界首款消费型光场相机（Light Field Camera）在经过初步的技术展示后，现在已经正式现身。
这台相机很像一个加厚版的ipod，有红色、蓝色、灰色三种外壳颜色可以选择，外形时尚可爱。
这就是Lytro公司在2011年10月20日发布的号称拥有革命性拍照技术的“光场相机”，该款相机能够实现先拍照后对焦，用户可以在拍照结束后改变焦距进行再对焦，从而获得完美的照片效果。
Lytro相机让拍照更加简单，让拍好照片不再是梦想。
创意亮点：解决对焦难问题对焦问题一直困扰着摄影者。
好的瞬间稍纵即逝，而相机还没有通灵到能够按照摄影者的想法自动对焦的程度。
传统相机的原理是景物发出或者反射的光线进入镜头，通过一组透镜之后，落在感光器件上留下影像。
在这个过程中，镜头只能抓住某个角度的某些光线，而并非像我们所想象的那样真正“抓住瞬间”。
这是因为，相机和我们的眼睛类似，当光线传入的时候，光的方向性会丢失。
而这种方向性是焦点形成的重要依据——焦点实际上反映的是图像的深度信息和相关性，只有那些严格垂直于镜头或者瞳孔表面的光才会精确成像，这就意味着我们看到或拍摄到的每个场景都只有唯一的焦点，任何不在这个焦点上的物体都会模糊。
Lytro公司看准商机，采用独特的思路来解决这个问题：在拍摄时把所有的光线信息都存储下来，让摄影者在后期任意调焦。
具体来说，这个系统可以捕捉有关场景光线所有方向的信息，因此它可以“聚焦”照片中的任何深度。
即使在拍照数年后，通过调整焦点，一瞬间就可以获得拍摄者认为理想的照片，不仅如此，相机还因此可以去掉笨重、耗电和昂贵的聚焦系统，让摄影者可以更快地完成拍照，即便不是专业的摄影师也不必担心对焦问题。
这些创意亮点引起了业内极大的关注和反响。
创新科技：“苍蝇眼”从90年代开始，美国斯坦福大学开始进行“全光场摄影”的研究。
光场相机用途
光场相机用途探讨一、引言光场相机是一种新型的数字化设备，它通过捕捉光线的方向和强度信息，记录了光线从空间中某一点发出后，经过光学系统聚焦到图像传感器上的整个过程。
这种相机的出现，为我们的生活带来了许多新的可能性。
本文将详细介绍光场相机的各种用途。
二、光场相机的基本概念光场相机的核心概念是“光场”，即光线在空间中的分布情况。
与传统的相机不同，光场相机不仅记录了光线的强度，还记录了光线的方向。
这使得光场相机能够提供更为丰富的视觉信息，为我们带来更为真实的视觉体验。
三、光场相机的主要用途1. 3D成像：光场相机可以捕获物体的光场信息，从而生成高质量的3D图像。
这种3D图像不仅可以从任何角度观看，而且具有良好的深度感和真实感。
2. 增强现实（AR）和虚拟现实（VR）：光场相机可以提供更为真实的环境感知，使得AR和VR技术的应用更加广泛。
例如，通过光场相机，用户可以在虚拟环境中与真实的物体进行交互。
3. 光照调整：光场相机可以捕获光线的方向和强度信息，从而对光照进行精确的调整。
这对于电影制作、摄影和其他需要精确控制光照的领域来说，具有重要的价值。
4. 无人驾驶：光场相机可以提供更为准确的环境感知，使得无人驾驶汽车能够在复杂的道路环境中安全行驶。
5. 医疗影像：光场相机可以提供更为详细的影像信息，使得医生能够更准确地诊断疾病。
四、光场相机的挑战和未来发展尽管光场相机具有许多优点，但它也面临着一些挑战，如高成本、大体积和低分辨率等。
然而，随着技术的发展，这些问题有望得到解决。
未来，光场相机有望在更多的领域得到应用，为我们的生活带来更多的便利。
五、总结光场相机是一种具有广泛应用前景的新型设备。
它不仅可以提供更为真实的视觉体验，还可以在3D成像、AR/VR、光照调整、无人驾驶和医疗影像等领域发挥重要作用。
尽管目前它还面临着一些挑战，但随着技术的发展，我们有理由相信，光场相机的未来将会更加光明。
光场相机在湍流下的清晰成像和点云计算
第49卷第11期Vol.49No.ll红外与激光工程Infrared and Laser Engineering2020年11月Nov. 2020光场相机在湍流下的清晰成像和点云计算张烜喆u’3,王彦3,王佳华3,侯再红杜少军3(1.中国科学院合肥物质科学研究院，安徽合肥230031;2.中国科学技术大学科学岛分院，安徽合肥230026;3.国防科技大学前沿交叉学科学院，湖南长沙410073)摘要：无变形镜条件下抵抗大气湍流影响获取几百米至几十公里外目标的清晰成像和点云数据具有重要意义。
光场相机是清晰成像和点云计算领域的有力工具，但是它在湍流条件下无法正常工作。
同时光场相机支术的主要研究方向集中在如何提高点云的精度和密度，暂无人将其应用于湍流清晰成 像。
基于相空间光学原理改进了光场相机的信息提取算法，在湍流条件下完成了清晰成像和点云计算。
这种算法使用四维密度函数来描述复眼结构，对原始数据的使用更加充分，能够提取物点完整的低阶相位信息，因而，可以抵抗湍流对局部子孔径的影响，稳健地获取目标点云，解算深度图并得到全聚焦清晰成像。
根据这一原理设计了光场相机系统，探测室内湍流池后方的目标以及室外湍流下500m处目标，均获得了 4 k以上个物点的准确低阶相位分布，给出了目标的三维点云图和清晰成像。
结果表明，该方法无需变形镜系统，也不需要先验信息，是一种稳定工作的解析算法。
关键词：去瑞流清晰成像；三维点云；光场相机；相空间光学中图分类号：0439 文献标志码：A DOI：10.3788/IRLA20200053Image clarification and point cloud calculation underturbulence by light field cameraZhang Xuanzhe1，2'3, Wang Yan3, Wang Jiahua3, Hou Zaihong1’2, Du Shaojun3(1.Hefei I n s t i t u t e s of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China;2.Science Island Branch, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China;3.College of Advanced I nterdisciplinary Studies, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)Abstract:It is of great significance to obtain clear imaging and point cloud data of targets from hundreds to dozens of kilometers away under atmospheric turbulence without deformable mirror.Light field cameras are powerful tools in the field of image clarification and point cloud calculation,but they don't work well in turbulent conditions.Meanwhile,the main research direction of light field camera technology focuses on how to improvethe precision and density of point cloud,and no one applies it to turbulence image clarification temporarily.Thisjob was finished by improving information extraction algorithm of light field camera based on phase space optics. This algorithm was more fully to use RAW data,because of adopting four dimensional density functions to describe the structure of compound eye,and therefore,it could resist the influence of turbulence on local sub-aperture images,acquire target point cloud steady,calculate the depth map and clarify turbulence-degraded image. Light field camera based on such method acquired more than 4 k accurate wavefront distribution,when it was used for detecting indoor target behind the turbulence pool and outdoor target500 m far from the camera,and3D收稿日期:2020-02-16;修订日期:2020-03-20作者简介:张烜喆（1981-)，男，助理研究员，博士生，主要从事光场相机和相空间光学方面的研究。
光场相机工作原理
光场相机Lytro 的运作原理和运算方法A Light Field Camera“ Lytro ” , the Principle and Algorithms概略Lytro 以在照片拍摄后，照片的对焦点可以自由变换的相机而被知晓 .Lytro 称其为光场相机.成像部分是由图像感应器和微型镜头所构成，并得到入射光束集中的光场•然后从光场再处理成最终的画面，光线集中相当于计算镜头的运作.本文就Lytro 的动作原理和画面生成的运算方法进 行解释.1 .前言数码相机是在摄像像素点上形成鲜亮的光 像，并把此光像忠实的反应成数码影像的装 置。
但是光场相机则是采用与数码相机完全不 同的原理所被认知。
此相机是采用光场（光线 空间）得到多条光线，再将光线集合并经过一 种图像处理得到最终成像的相机。
其代表机能 为利用摄影后的后处理，变更相机焦点距离的 再对焦机能。
初期的光场相机是用多台相机纵横排列成 的相机矩阵的实配.相机矩阵对机能有验证作 用，但是没有实用性•另一方面， Ng 式做了在 成像像素的前面配置微镜头，通过致密的框体 集中光线的光场相机.之后， Ng 为了将此技术 商品化而成立了公司，在2012年开发了 Lytro . 本文是根据Ng 的论文及实际的分析解析为基 础解释Lytro 的运作原理，机能，运算方法图1为Lytro 的影像感应器的扩大照片影像感应器是数 码相机用的CMOS 感应器，内间距为1.4卩m ，影像 感应器上覆盖蜂巢结构的微镜头，微镜头的内间距 为14卩m 。
影像感应器3280*3280像素的面积上覆盖 330*380个微镜头，一个微镜头的直径大约是 10个 像素点的长度。
2. Lytro 的影像感应器 図］测廿一豁e 扭;大写卓豊迪工iz 夕卜口二夕乂 卜十一）微镜头和保护用玻璃一体成型， CMOS 感 应器上面有少量空间，保护玻璃上面平坦，底 面排列微镜头。
保护玻璃和微镜头的厚度约为 430卩m ,另外CMOS 表面设置了拜尔型彩色滤 膜。
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• 如果将目标锁定为一 个观测的物体，将自 身限制在物体的周围， 由物体发出的光线的 所有集合就可以用4D 来表示（图2的方式定 义光线），并定义为 4D光场。Marc Levoy 的光场理论就是基于 上述表示方法之上的。
• 通过上述相机，可以一次同时拍摄出不同 景深的照片，而普通照相机是无法获得这 么多不同聚焦点的图片的
• 通过物体高速旋转，拍摄一周不同视角的图像， 再通过计算合成物体的三维立体图像。 • 采用光场的理论进行三维重建与传统三维重建方 法相比有很大的优势 （1）所需计算资源很小，因此便于进行实时处理， 在工作站或个人PC上就可以实现实时的三维重建 （2）不会因交互重现的物体的复杂性而提高操作 难度和计算复杂度 （3）片源可以源于不同的途径，真实的或虚拟的 场景都可以，例如数字镜头是通过中央的透镜聚焦光线，并反 射到一个传感器上成像的，所以拍出的照片只有 一个焦点，其性质必然只有一个重点。光场相机 （light-field camera）或其他的应用，基于光场理 论，当对同一物体从不同的视角进行观测后，可 以计算出新的视角的成像情况，而无须在该视角 成像。 • 当然，光场离不开计算机技术，利用计算机技术 经过对应的软件分析这些照片后，从而产生数以 千计的中间图像并将每个图像无缝连接。如三维 重建中，这些图像层层重叠就像薄片，形成一个 三维的模拟图像，而图像的每一层都会有聚焦点。
• 所有的光场理论的应用基础都是Light field rendering的思想和实现。如图（a）所示， 在目 标物“龙”的周围我们可以拍摄不同位置不同角 度的图片。在图（b）中黄色位置和红色2代表的 位置上拍摄物体龙的信息基本相同，但是由于视 场不同黄色位置获得的图像视场小于红色位置2， 但是获得的细节信息多于红色位置2，而红色位置 1和红色位置3拍摄的图像包含部份黄色位置拍摄 图像的信息，因此通过计算可以通过红色位置1， 2，3的图像中部分信息计算出黄色位置拍摄的图 像的全部信息。
• 由此，我们可以不在黄色位置拍摄图像，而通过红色位置 1，2，3的图像计算出他的图像。根据这种理论，通过在 物体周围拍摄到足够的图片（如图（b）），形成物体的 光场如图（c）所示，就可以获得任意位置拍摄到的图片， 而无须真实的拍摄，从而获得“龙”的所有信息。
• 光场相机（镜头阵列）
• 镜头阵列—前视