光场成像技术

南京理工大学

课程考核论文

课程名称：图像传感与测量

论文题目：光场成像技术

姓名：陈静

学号： 314101002268 成绩：

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年月日

光场成像技术

一、引言

光作为一种在分布在空间中的电磁场，具有振幅、相位、波长等多种属性，帮助人类感知物体的明暗、位置和色彩。然而，传统的光学成像只能捕获到光辐射在二维平面上的投影强度，而丢失了其他维度的光学信息。光场成像作为一种计算成像的方法，利用现代信息处理技术的优势，不仅克服了传统成像在原理上的某些局限性，同时也降低了成像能力对于物理器件性能的依赖性[1]。

光场成像指的是光场的采集以及将光场处理为图像的过程。国外对光场成像技术的研究相对较早[2]，早在1903年Ives便发明了运用真空成像技术的双目视差显示系统，它通过在主透镜的像面处放置针孔面阵列，从而使原像面处的光辐射按角度进行重分布后记录在光探测器上，避免了角度信息的丢失。1908年，Lippman发明的集成照相术被后世广泛运用于三维全息成像，通过用微透镜阵列代替针孔面阵列，在底片上接收到有微小差别的一系列基元图像，消除了Ives 装置中的弥散斑。Gershun在1936年提出光场的概念，将其定义为光辐射在空间各个位置向各个方向的传播。他提出了到达空间不同点处的光辐射量连续变化，能够通过几何分析进而积分的方法来计算像面上每点的光辐射量的观点。但由于计算量庞大的缺点和能够进行高次运算的计算机尚未出现的局限性，当时未能对其理论进行验证。1948 年，Gabor利用2束相干光干涉记录下物体衍射未聚焦的波前，获得第一张全息图。如果把这张全息图看作是包含方向和位置信息的光辐射函数，那么这其实也是一张特殊的光场图像，而非传统只记录强度信息的二维图像。二十世纪六七十年代，Okoshi、Dudnikov、Dudley、Montebello

等学者对IP技术进行了不断的改进，微透镜阵列在成像方面的作用也得以凸显。随着计算机技术的不断发展和微透镜制作精度的提高，Adelson于1992年将光场理论成功运用到计算机视觉，并提出全光场理论。光场理论的进一步完善归功于1996年Levoy的光场渲染理论，他将光场进行参数化表示，并提出计算成像公式。在此基础上，2005年Ng发明了第一台手持式光场相机，其原理简单，使用方便。2006 年，Levoy将LFR理论运用于显微成像，并研制出光场显微镜，能够一次曝光得到多个视角多组焦平面图像，从而得到大景深的显微图片，并可进行三维重建。

二、主要内容

1. 光场的定义

光场实质上就是空间中所有光线光辐射函数的总体。光线携带二维位置信息

θ在光场中传递。根据Levoy 的光场渲染理论，空间

,

u和二维方向信息)

(φ

)

,

(v

中携带强度和方向信息的任意光线，都可以用两个平行平面来进行参数化表示，如下图所示，光线与这两个平面相交于两点，形成一个四维光场函数x

v

u

L[3]。对光场的不同理解可形成不同的光场获取方式，如果把光场看作,

(y

,

)

,

是位置和角度信息的叠加，可以有比较简单的获取方式。比如，通过采用不同的观察视角和不同位置的照明来抓拍一系列照片的方式，但是这两种方法太慢，而且操作不方便。采用针孔成像的方式原理最简单，但是由于位置和角度之间不成线性关系，计算复杂，因而应用也不广泛。

图光场的四维参数化

2. 光场成像技术的特点

传统成像在理论上只能获得单个物平面的清晰像，只能感知单个像平面的强度信息，若要获得目标的三维形态或光谱特性，则只能采用推扫或凝视成像的方式进行多次扫描曝光[4]。扫描的过程往往需要一定的时问周期，因而影响了信息获取的时效性，对于位置、形态或理化属性处于快速变化中的物体无法进行探测。其次，实际的光学系统都是非理想成像系统，光辐射经过透镜时并不能得到理想的相位变换，并且在透镜的不同位置上光辐射的相位变换误差也不一样。此时光辐射在像平面上的叠加就会导致几何像差的存在。在传统成像中，只能依靠光学系统的物理优化来控制几何像差的影响，而光学系统的设计和加工难度随着其口径的增大呈指数增长，这就限制了现有成像系统的最大口径。

针对上述述传统成像所存在的问题，光场成像体现出的优势在于[5]：

（1）任一深度位置的图像都可以通过对光场的积分来获得，因而无需机械调焦，同时也解决了景深受孔径尺寸的限制；

（2）在积分成像之前对光辐射的相位误差进行校正，能够消除几何像差的影响；

（3）从多维度的光辐射信息中能够实时计算出目标的三维形态或提取出其光谱图像数据。

3.光场成像技术的发展趋势

光场成像技术的发展趋势可从理论、技术和应用三个方面进行阐述[6]。

在理论方面，几何光场应推广到波动光场，并加入光谱、偏振和时间等变量的影响，从光辐射传播的物理理论上进一步探索光场调制和解调机理，分析各种成像参数之间的理论极限；在实现技术上，可结合新的制造工艺(如微纳加工)、光学调制器件、新型传感技术(如压缩感知)，设计新的光场获取结构和数据处理方法；从应用角度来看，光场成像技术的信息获取特点尤其适合于目标的多维特性探测以及基于多维信息的特征识别，这种探测技术的一体化和灵活性优势使得光场成像技术将在科学研究、工业检测、农业生产、医疗影像、环境监测和军事侦察等各领域具有广阔的应用前景[7]。

世界是三维的，而传统成像却一直在用二维的方法记录它，如果能把缺失的部分补全，那么我们就可以看到一个更为真实的三维世界，这就是光场成像试图去实现的目标，然而光场数据多出的二维信息是以牺牲一定的空间分辨率为代价的[8]。现有光场相机普遍存在图像空间分辨率不能满足需求的问题，如果加大图像空间分辨率的同时，兼顾轴向分辨率，则会对光电探测器件提出更高要求。如何在二者之间获得最优化分布，是今后研究的一个重点。此外，由于一次曝光获取的数据量巨大，对存储设备和处理器的容量和速度都有较高要求。因此，光场成像在技术实现、软硬件处理能力、商业化成本以及使用便捷性等方面还有亟待解决的问题。

三、总结

就光场的定义、光场成像技术的国内外发展现状、特点及发展趋势对光场成像技术进行阐述。光场成像作为一种计算成像的方法，利用现代信息处理技术的