Light Field camera 光场相机原理
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light field lab原理-回复Light Field Lab原理：Light Field Lab是一家位于加利福尼亚州圣荷西的公司，致力于研究和开发光场显示技术。
光场显示技术是一项新兴的显示技术，可以呈现出逼真的三维视觉效果。
光场显示技术利用了物理学原理以及先进的图像处理算法，通过将光线的传播和交互模拟出来，使观察者获得沉浸式的视觉体验。
光学原理是光场显示技术的核心。
了解光场的传播和交互是理解光场显示技术的关键。
光场是由不同波长和强度的光线组成的集合，它可以传播和交互，从而造成有关深度、方向和角度的视觉感知。
在传统的2D显示技术中，我们只能观察到一个平面的图像，而无法感知到深度和方向上的变化。
然而，光场技术可以模拟光线传播和交互的过程，从而让观察者能够从不同的角度和位置观察到真实的三维场景。
实现光场显示的关键是捕捉和呈现光场。
光场的捕捉需要使用特殊的摄像设备，这些设备能够记录下光线传播和交互的信息。
目前，广泛使用的光场捕捉技术包括微透镜阵列、多摄像机阵列和Time-of-Flight传感器。
这些技术可以同时捕捉到多个视点的信息，并用于后续的图像处理和光场合成。
光场的呈现需要使用高分辨率的显示设备。
传统的2D显示设备无法满足光场显示的需求，因此需要使用特殊的光场显示设备。
Light Field Lab 公司正在研发的光场显示设备采用了大量的光学元件和像素驱动器，以实现高像素密度和快速的像素响应。
这些设备可以根据光场信息，将光线模拟出来，使观察者能够在不同的角度和位置观察到真实的三维场景。
为了实现高质量、真实感的光场显示，图像处理算法也起着重要的作用。
光场图像处理算法可以从捕捉到的光场数据中提取出深度和角度的信息，并将其与高分辨率的图像合成在一起。
这种合成图像可以在光场显示设备上进行展示，从而呈现出逼真的三维视觉效果。
除了在硬件上的创新，Light Field Lab还将光场显示技术与其他显示技术相结合，以开发出更加先进和多样化的产品。
light field lab原理
light field lab原理在我们生活的这个世界上，光是万物之母，它无处不在，塑造着我们的视觉体验，同时也为科学和技术提供了无尽的灵感。
光场技术作为光的一种高级形式，以其独特的性质和强大的功能，正逐渐在各个领域崭露头角。
在这篇文章中，我们将深入探讨Light Field Lab 的原理，探索这一新兴领域的奥秘。
一、光场的奇妙世界首先，让我们来了解一下光场的基本概念。
光场是指光源发出的所有光线的集合，包含了光线在空间中的强度、方向和颜色等信息。
简单来说，光场就是所有光的“场”。
由于光场的复杂性，我们通常只能通过相机等设备来间接获取其信息。
而Light Field Lab，就是这样一个专门研究光场技术的实验室。
它致力于开发先进的算法和设备，以实现对光场的高精度测量和解析。
通过Light Field Lab的技术，我们可以看到过去无法看到的景象，理解光的本质，甚至创造出前所未有的视觉体验。
Light Field Lab的核心原理，就是通过对光场的精确测量和解析，实现对物体表面的精确重建。
具体来说，它利用特殊设计的相机阵列，记录下物体表面的所有光线信息，包括方向、强度和颜色等。
然后，通过复杂的算法对这些信息进行处理和分析，从而得到物体的精确三维模型。
在实际操作中，Light Field Lab的工作流程大致如下：1. 设备安装：将特殊设计的相机阵列安装在指定的位置，以便能够覆盖整个待测区域。
2. 数据采集：通过相机阵列记录下物体表面的所有光线信息。
3. 数据处理：利用先进的算法对采集到的数据进行处理和分析，以提取出有用的信息。
4. 三维模型生成：将处理后的数据转化为精确的三维模型，以便后续的视觉应用。
三、网址链接的重要性在阐述Light Field Lab原理的过程中，我们将会涉及许多相关领域的学术研究和产品介绍。
为了帮助读者更深入地了解这一新兴领域，我们将提供一些相关的网址链接，以供大家查阅更多的信息和资源。
Lytro发布了神奇的“光场相机（LightFieldCamera）”
Lytro发布了神奇的“光场相机（LightFieldCamera）”Lytro发布了神奇的“光场相机（Light Field Camera）”
Lytro公司近日发布了号称拥有革命性拍照技术的“光场相机（Light Field Camera）”。
用Lytro光场相机拍摄照片时，镜头可以同时捕捉到整个背景的光场（光场是指在每一个方向照来的每束光线），而不仅仅捕捉到一片光线。
用这种相机拍摄的照片你可以随意改变焦点，移动视角，甚至还可以将照片转为3D显示。
这也就是说，使用Lytro的相机，用户可以真正地捕捉那个瞬间的全部影像，或者说是捕捉到可以代表那一刻的所有光线。
可以先拍照，后对焦，神不神奇？！
1100 万像素的Lytro 光场相机拥有铝合金外壳，镜头支持8倍光学变焦，等效焦距35～280mm，最大光圈恒定f/2。
机身上只有2个按钮，一个是快门，另一个是电源。
该公司也在这台造型可爱的相机上加入了触控屏幕的功能。
Lytro光场相机分别有8G和16G 2款，售价分别为399美元（约合人民币2,548元）和499美元（约合人民币3,186元）。
预计2012年年初正式上市销售。
下面请观看几段相关视频：。
3D成像方法汇总（原理解析）---双目视觉、激光三角、结构光、ToF、光场、全息
3D成像方法汇总（原理解析）---双目视觉、激光三角、结构光、ToF、光场、全息3D成像方法汇总介绍：这里要介绍的是真正的3D成像，得到物体三维的图形，是立体的图像。
而不是利用人眼视觉差异的特点，错误感知到的假三维信息。
原理上分类：主要常用有：1、双目立体视觉法(Stereo Vision)2、激光三角法(Laser triangulation)3、结构光3D成像(Structured light 3D imaging)4、飞行时间法ToF（Time of flight）5、光场成像法（Light field of imaging）6、全息投影技术(Front-projected holographic display)7、补充：戳穿假全息上面原理之间可能会有交叉。
而激光雷达不是3D成像原理上的一个分类，而是一种具体方法。
激光雷达的3D成像原理有：三角测距法、飞行时间T oF法等。
激光雷达按照实现方式分类有：机械式、混合固态、基于光学相控阵固态、基于MEMS式混合固态、基于FLASH式固态等。
1、双目立体视觉法：就和人的两个眼睛一样，各种两个摄像头的手机大都会用这种方法来获得深度信息，从而得到三维图像。
但深度受到两个摄像头之间距离的限制。
视差图：双目立体视觉融合两只眼睛获得的图像并观察它们之间的差别，使我们可以获得明显的深度感，建立特征间的对应关系，将同一空间物理点在不同图像中的映像点对应起来，这个差别，我们称作视差(Disparity)图像。
对于视差的理解可以自己体验一下：将手指头放在离眼睛不同距离的位置，并轮换睁、闭左右眼，可以发现手指在不同距离的位置，视觉差也不同，且距离越近，视差越大。
提到视差图，就有深度图，深度图像也叫距离影像，是指将从图像采集器到场景中各点的距离（深度）值作为像素值的图像。
深度图与点云的区别，点云：当一束激光照射到物体表面时，所反射的激光会携带方位、距离等信息。
若将激光束按照某种轨迹进行扫描，便会边扫描边记录到反射的激光点信息，由于扫描极为精细，则能够得到大量的激光点，因而就可形成激光点云。
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)
Light Field camera 光场相机原理演示幻灯片
背景知识-景深
在对焦时，通过镜头将在焦平面上清晰成像，而对焦点的前景和后景也在 焦平面成像，只要它们成像的弥散圆等于或小于容许弥散圆直径，我们将 认为是清晰的，这样影像就有一个的清晰的区间，这就是景深
(1)、镜头光圈：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大； (2)、镜头焦距：镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大； (3)、拍摄距离：距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。
Key laboratory
Key Lab
12
光场记录-原始光场图像
原始图像是由一系列斑点构成，每个 斑点都是微透镜的成像，圆的图像是 因为主镜头是圆的
原始光场成像是一个（x,y） 成像网格，每副图像表明到达 成像面某个微透镜的光线来自 主镜头不同的（u,v）位置
Key laboratory
Key Lab
3
Key laboratory
Key Lab
光圈 快门
光圈越大(F值越小),通过的光亮越多，景深越小， 突出主体，要求对焦准确
快门越快，进来的光亮就越少，快门越慢就进 光更多
4
Key laboratory
Key Lab
传统成像的缺点
传统相机，获取大的景深，需要减小光圈，那么每 次曝光进入的光子数有限，信噪比降低，出现噪点
பைடு நூலகம்
Key laboratory
Key Lab
24
基于光场的显微成像
传统显微镜景深 LMF景深
传统光学显微镜和LFM对比图
解决了传统显微镜：
用一个16×/0.4Na的非浸液物镜计算 传统显微镜景深为3.3μm，而LFM的 景深为161.6μm
1.从正投射角度观察，无法观察一定空间结构的微小物体
光场相机成像质量评价方法研究
光场相机成像质量评价方法研究杨凡;袁艳;周志良【摘要】Light field camera is a new imaging device which could capture 4D light field information including both the 2D spatial distribution information of objecr radiation and 2D directional information of the radiance propagation. It can get larger depth of field than traditional cameras, The imaging quality evaluation is important for researching on light field camera. The imaging model of light field camera is analyzed in combination with the characteristic of light field imaging. The process of light ray tracing in an actual camera was accomplished. The point spread function model was calculated. The experimental results show that the method is accurate and effective.%光场相机应用一种新的成像技术,利用光学手段获取四维光场信息,包括目标辐射的二维空间分布信息和辐射传播的二维方向信息.与传统相机相比,光场相机在实际应用中可以获得大的景深范围.由此成像质量评价是光场相机研究中一项十分关键的工作.结合光场成像的特点,对光场相机成像模型进行了分析,完成了实际系统中的光场追迹过程,并时点扩散模型进行了计算,仿真实验结果表明该评价方法有效.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2011(034)006【总页数】3页(P4-6)【关键词】光场相机;成像模型;点扩散函数;成像质量【作者】杨凡;袁艳;周志良【作者单位】北京航空航天大学,精密光机电一体化技术教育部重点实验室,北京,100191;北京航空航天大学,精密光机电一体化技术教育部重点实验室,北京,100191;中国科学技术大学,安徽,合肥,230026【正文语种】中文【中图分类】TN919-34;TP3910 引言光场相机作为一种新的成像装置，将计算机技术与精密光机电技术紧密结合，将获取光波场信息作为研究重点，通过对获得的光场数据进行特殊处理，实现了对一定范围内的目标清晰图像，加强了拍摄的实时性，实现先拍照后对焦的功能。
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中科院安徽光学精密机械研究所
传统相机
对于每一个空间的像素X， u的变化都覆盖了全镜头
保留了空间分辨率x， 但没有记录方向值u
所有圆锥光线叠加形成图像一个像素值
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非焦平面成像
不同距离的景物成像，但我们 固定一个x成像平面 X的变化是随u的变化成线性的变化的
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基于光场的显微成像
传统显微镜景深
LMF景深
传统光学显微镜和LFM对比图
用一个16×/0.4Na的非浸液物镜计算 传统显微镜景深为3.3μm，而LFM的 景深为161.6μm
解决了传统显微镜： 1.从正投射角度观察，无法观察一定空间结构的微小物体
黑暗的环境，为了平衡信噪比，需要延长曝光 时间，手的抖动造成图像模糊，需要三脚架
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光场理论的发展
1936年，Gershun提出光场概念，光场就是光辐射在空间各个位置各 个方向的传播
1992年，Adelson将光场理论应用到计算机视觉，提出全光场提论 （plenoptic theory） 1996年，Levoy提出光场渲染理论（light field rendering），将光场进 行参数化，并提出了成像公式 2005年，Ng发明第一台手持式光场相机
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光场记录-原始光场图像
原始图像是由一系列斑点构成，每个 斑点都是微透镜的成像，圆的图像是 因为主镜头是圆的
原始光场成像是一个（x,y） 成像网格，每副图像表明到达 成像面某个微透镜的光线来自 主镜头不同的（u,v）位置
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3.掩膜及其他
共同点都是对相机的孔径做相应处理
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相机组成
光场相机包换一个主镜头，一个微透镜阵列和一个数字图像传感器
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光场四维函数
根据Levoy的光场渲染理论，空间中携带强度和方向信息的任意光线，都可以 用2个平行的平面参数化表示，光线与两个平面相交于两点，形成四维函数 L(u,v,x,y)
快门越快，进来的光亮就越少，快门越慢就进 光更多
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传统成像的缺点
传统相机，获取大的景深，需要减小光圈，那么每 次曝光进入的光子数有限，信噪比降低，出现噪点
高速物体，需要提高快门，为了平衡信噪比， 需要大光圈，景深小，对焦难，背景模糊
1 x 1 y F LF F u1 , v1 , u, v (X’,y’,u,v) 把（x,y,u,v)
那么我们可以得到任意平面上的点成像函数
1 x 1 y 1 E，F x, y 2 2 LF u 1 , v 1 , u , v dudv F
傅里叶切片定理
空间域和频率转换关系
FM
T B N N LN F M B SM B T
P LF
1 4 L 2 B LF 2 2 F
P
1 2 2 4 F F L 2 B 2 2 F
T B 1 2 4 4 P F S 2 T F 2F 2 B
2.高分辨率和大数值孔径条件下，景深非常小，容易丢失目标
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总结
传统相机
景深
精确对焦 小 需要
光场相机
大 不需要
空间分辨率
轴向分辨率 数据量 后期处理
高
无 大 自主性小
中
有 巨大 自主性大
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Байду номын сангаас
衍射
艾里斑的尺寸决定了空间分辨率
经验表明，最大光圈数f/n，那么像 平面上衍射极限分辨尺度n微米 假设镜头和微透镜是f/2和衍射极限光圈 35mm胶片，尺寸24mm×36mm
扩大微透镜直径 希望每个微镜头下包含更多传感器单元 主镜头光圈值必须与微透镜尺度匹配 微透镜f/4
光圈数表明衍射极限分辨率 大约是2微米，那么传感器 像素是18000×12000
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如果此圆形足够小，肉眼依然可被视为 点的成像。这个可以被接受的最大直径 被称为容许弥散圆直径δ
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背景知识-景深
在对焦时，通过镜头将在焦平面上清晰成像，而对焦点的前景和后景也在 焦平面成像，只要它们成像的弥散圆等于或小于容许弥散圆直径，我们将 认为是清晰的，这样影像就有一个的清晰的区间，这就是景深
Fopt F
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说明微透镜与主透镜距离小于焦距
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基于光场合成光场技术
合成孔径成像的原理，当瞳孔的孔径远大于障碍物的空间尺度时，从目标 物体上发出的光线能够很容易地绕过障碍物进入人眼。如果孔径足够大， 那么，就可以透过一些常见的障碍物而被成被掩盖目标的像。
2006年，Levoy研制出光场显微镜
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获取光场手段
1.微透镜阵列
普通成像技术的一次像面处加入一个微透镜阵列，每个微透镜记录的 光线对应相同位置不同视角的场景图像。
2.相机阵列
它是指通过相机在空间的一定排布来同时抓取一系列视角略有差别的图像， 从而重新勾出光场数据的方法。
如果换成微透镜，微透镜尺寸是20微米， 每个下面有十个像素，那么空间分辨率 是1800×1200，方向分辨率是10×10
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空间分辨率和方向分辨率
A图微透镜在主镜头焦平 面上，传感器与微透镜间 距为微透镜焦距 最大的方向分辨率
B图微透镜和传感器 间距为焦距的一半
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数字重聚焦1
傅里叶切片定理
投影定义
傅里叶切片定理的含义是平行投影的一维傅里叶变 换等同于原始物体的二维傅里叶变换的一个切片。 将已知投影数据通过一个简单的二维物理也反变换 可以得到物体界面的一个估计。
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(1)、镜头光圈：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大； (2)、镜头焦距：镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大； (3)、拍摄距离：距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。
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光圈 快门
光圈越大(F值越小),通过的光亮越多，景深越小， 突出主体，要求对焦准确
谢谢，请各位老师批评指正
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光场记录-子孔径图像
因为孔径是有限的，所以每个 微透镜都有一定的视场，不同 微透镜之间有一定的视差 视差就是从有一定距离的两个点上 观察同一个目标所产生的方向差异
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中科院安徽光学精密机械研究所
计算成像公式
经典的辐射理论表面，在像平面上的一点的辐射来 自于镜头上所有辐射的权重积分
当焦点远于x成像面，那么斜率为正
当焦点近于x成像面，那么斜率为负
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光场记录
光场相机的一次采样过程
灰色的图像传感器像元加起来，我们就可以计算出 在光学焦平面图像中的微镜头尺度大小像元的值
图中网格列的宽度是微透镜的宽度 收集方向分辨率导致最后图像分辨率降低，最大的分辨率为微透镜的个数
E F x, y
1 F2
4 L x , y , u , v cos dudv F
LF x, y, u, v 是距离目标平面外F距离的光场参数
cosΘ是由于光学渐晕效应的衰减因子
x u y v LF ( x, y, u, v) LF u ,v , u, v
如果有一障碍物点在景深范围之外 的空间平面上，则在相面上形成弥 散圆而失去遮挡效果
孔径再变大，景深非常小，只有在 焦平面附近的成像清晰，期待都是 弥散，不足遮挡物体成像
Key laboratory
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中科院安徽光学精密机械研究所
基于光场合成光场技术
由于景深非常小，障碍物在合成孔径图像上非常模糊，有类似于“透视”的功效。
C图微镜头和传感器重合
最大的空间分辨率
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中科院安徽光学精密机械研究所
最大分辨率
主透镜与微透镜最佳位置
Fopt
1 F f 1
F
F
1
f
0 1
图b和图c中，光线汇聚最厉害的地 方是最大分辨率的重聚焦面