光场成像技术（2）

根据傅里叶切片定理的推论，x-y 面上得到的光辐射量是光场LF( x，y ，u，v) 的一个切片的投影积分。也就是说，通过一次曝光得到的4D 光场信息，可用于重建不同焦距处的图像。文献指出，当对一幅图像进行多次重聚焦处理时，频域的方法比空域更加简便。将四维光场变换到频域为

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经过切片处理后得到二维图像频谱:

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逆变换后得到二维图像表达式:

  
   （7）

图3 为空域和频域2 种算法及其复杂度示意。由于a 的连续变化，空域和频域的计算复杂度分别集中在投影积分和二维切片阶段。可以看出，频域的O( n2 )比空域的O( n4 )，计算速度得到大大提高。

 

图3. 两种重聚焦算法及计算复杂度示意图

除了上面的数字重聚焦技术，当然还有很多基于光场的其他技术，这里就不再一一介绍。

5.光场成像技术展望

传统相机在成像的同时，限制了图片的重塑性; 而光场成像则保留了这种可能，因为它记录的是包含位置和方向信息的四维数据。换句话说，即使不是图像的拍摄者，也能对视角、远近景，甚至是光线本身进行操纵，以获得更为满意的结果。比如机器视觉，机器是前台执行拍摄的主体，它所“看”到的东西也许并不是人所希望的，如果采用光场成像，便可以加入人对图像的理解，最终得到的多媒体信息才能更灵活化、多元化。而且，随着CPU 运算速度的爆炸式增长和重构算法的不断改进，与计算机技术紧密联系在一起的光场成像技术的发展前景也将非常乐观。可以预见的应用范围很广: 对普通摄影爱好者来说，可以通过数字重聚焦技术提高聚焦能力，摆脱失焦、跑焦困扰，增加对图片处理的灵活性; 对于高速运动场景、多主体距离较大场景以及光线不足的室内拍摄，有其独特的优势; 在安全及监控领域，通过合成孔径技术实现“透视”监控; 在多媒体动画及电视广告领域，可以通过光场数据合成视角像来实现虚拟3D 显示; 通过对光场数据的反演，还能数字化地校正光学系统像差，降低透镜制作精度，大大降低光学系统设计和加工难度。

目前获取光场的手段开始朝着2 个极端方向发展: （1）大尺度的大规模相机阵列；（2）小尺度的光场显微镜。

这就意味着能在更多的领域中运用光场成像技术，大到航空拍摄，小到微生物观测，甚至延伸到目前所有能运用到光学成像的领域。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世界，不再因为“一叶障目，不见泰山”，这就是光场成像试图去实现的目标．然而，光场数据多出的2 维信息是以牺牲一定的空间分辨率为代价的，二者之间存在一个折衷。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。这是当前制约光场成像技术的一个瓶颈。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。