光場成像技術(shù)

南京理工大學(xué)課程考核論文課程名稱： 圖像傳感與測量 論文題目： 光場成像技術(shù) 姓名： 陳靜 學(xué)號： 314101002268 成績： 任課教師評語:簽名： 光場成像技術(shù)―、引言光作為一種在分布在空間中的電磁場，具有振幅、相位、波長等多種屬性，幫助人類感知物體的明暗、位置和色彩。然而，傳統(tǒng)的光學(xué)成像只能捕獲到光輻射在二維平面上的投影強(qiáng)度，而丟失了其他維度的光學(xué)信息。光場成像作為一種計(jì)算成像的方法，利用現(xiàn)代信息處理技術(shù)的優(yōu)勢，不僅克服了傳統(tǒng)成像在原理上的某些局限性，同時(shí)也降低了成像能力對于物理器件性能的依賴性［1］。光場成像指的是光場的采集以及將光場處理為圖像的過程。國外對光場成像技術(shù)的研究相對較早［2］，早在1903年Ives便發(fā)明了運(yùn)用真空成像技術(shù)的雙目視差顯示系統(tǒng)，它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射按角度進(jìn)行重分布后記錄在光探測器上，避免了角度信息的丟失。1908年，Lippman發(fā)明的集成照相術(shù)被后世廣泛運(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。Gershun在1936年提出光場的概念，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。他提出了到達(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)的光輻射量的觀點(diǎn)。但由于計(jì)算量龐大的缺點(diǎn)和能夠進(jìn)行高次運(yùn)算的計(jì)算機(jī)尚未出現(xiàn)的局限性，當(dāng)時(shí)未能對其理論進(jìn)行驗(yàn)證。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)厥獾墓鈭鰣D像，而非傳統(tǒng)只記錄強(qiáng)度信息的二維圖像。二十世紀(jì)六七十年代，Okoshi、Dudnikov、Dudley、Montebello等學(xué)者對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年將光場理論成功運(yùn)用到計(jì)算機(jī)視覺，并提出全光場理論。光場理論的進(jìn)一步完善歸功于1996年Levoy的光場渲染理論，他將光場進(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)明了第一臺手持式光場相機(jī)，其原理簡單，使用方便。2006年levoy將LFR理論運(yùn)用于顯微成像，并研制出光場顯微鏡，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，并可進(jìn)行三維重建。二、主要內(nèi)容1.光場的定義光場實(shí)質(zhì)上就是空間中所有光線光輻射函數(shù)的總體。光線攜帶二維位置信息(u,v)和二維方向信息(6,帕在光場中傳遞。根據(jù)Levoy的光場渲染理論，空間中攜帶強(qiáng)度和方向信息的任意光線，都可以用兩個(gè)平行平面來進(jìn)行參數(shù)化表示，如下圖所示，光線與這兩個(gè)平面相交于兩點(diǎn)，形成一個(gè)四維光場函數(shù)L(u,v,x,y)[3。對光場的不同理解可形成不同的光場獲取方式，如果把光場看作是位置和角度信息的疊加，可以有比較簡單的獲取方式。比如，通過采用不同的觀察視角和不同位置的照明來抓拍一系列照片的方式，但是這兩種方法太慢，而且操作不方便。采用針孔成像的方式原理最簡單，但是由于位置和角度之間不成線性關(guān)系，計(jì)算復(fù)雜，因而應(yīng)用也不廣泛。圖光場的四維參數(shù)化2.光場成像技術(shù)的特點(diǎn)傳統(tǒng)成像在理論上只能獲得單個(gè)物平面的清晰像，只能感知單個(gè)像平面的強(qiáng)度信息，若要獲得目標(biāo)的三維形態(tài)或光譜特性，則只能采用推掃或凝視成像的方式進(jìn)行多次掃描曝光［4］。掃描的過程往往需要一定的時(shí)問周期，因而影響了信息獲取的時(shí)效性，對于位置、形態(tài)或理化屬性處于快速變化中的物體無法進(jìn)行探測。其次，實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)都是非理想成像系統(tǒng)，光輻射經(jīng)過透鏡時(shí)并不能得到理想的相位變換，并且在透鏡的不同位置上光輻射的相位變換誤差也不一樣。此時(shí)光輻射在像平面上的疊加就會導(dǎo)致幾何像差的存在。在傳統(tǒng)成像中，只能依靠光學(xué)系統(tǒng)的物理優(yōu)化來控制幾何像差的影響，而光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和加工難度隨著其口徑的增大呈指數(shù)增長，這就限制了現(xiàn)有成像系統(tǒng)的最大口徑。針對上述述傳統(tǒng)成像所存在的問題，光場成像體現(xiàn)出的優(yōu)勢在于［5］:（1）任一深度位置的圖像都可以通過對光場的積分來獲得，因而無需機(jī)械調(diào)焦，同時(shí)也解決了景深受孔徑尺寸的限制；（2） 在積分成像之前對光輻射的相位誤差進(jìn)行校正，能夠消除幾何像差的影響；（3） 從多維度的光輻射信息中能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算出目標(biāo)的三維形態(tài)或提取出其光譜圖像數(shù)據(jù)。3.光場成像技術(shù)的發(fā)展趨勢光場成像技術(shù)的發(fā)展趨勢可從理論、技術(shù)和應(yīng)用三個(gè)方面進(jìn)行闡述［6］。在理論方面，幾何光場應(yīng)推廣到波動光場，并加入光譜、偏振和時(shí)間等變量的影響，從光輻射傳播的物理理論上進(jìn)一步探索光場調(diào)制和解調(diào)機(jī)理，分析各種成像參數(shù)之間的理論極限；在實(shí)現(xiàn)技術(shù)上，可結(jié)合新的制造工藝（如微納加工）、光學(xué)調(diào)制器件、新型傳感技術(shù)（如壓縮感知），設(shè)計(jì)新的光場獲取結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理方法；從應(yīng)用角度來看，光場成像技術(shù)的信息獲取特點(diǎn)尤其適合于目標(biāo)的多維特性探測以及基于多維信息的特征識別，這種探測技術(shù)的一體化和靈活性優(yōu)勢使得光場成像技術(shù)將在科學(xué)研究、工業(yè)檢測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療影像、環(huán)境監(jiān)測和軍事偵察等各領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［7］。世界是三維的，而傳統(tǒng)成像卻一直在用二維的方法記錄它，如果能把缺失的部分補(bǔ)全，那么我們就可以看到一個(gè)更為真實(shí)的三維世界，這就是光場成像試圖去實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，然而光場數(shù)據(jù)多出的二維信息是以犧牲一定的空間分辨率為代價(jià)的［8］。現(xiàn)有光場相機(jī)普遍存在圖像空間分辨率不能滿足需求的問題，如果加大圖像空間分辨率的同時(shí)，兼顧軸向分辨率，則會對光電探測器件提出更高要求。如何在二者之間獲得最優(yōu)化分布，是今后研究的一個(gè)重點(diǎn)。此外，由于一次曝光獲取的數(shù)據(jù)量巨大，對存儲設(shè)備和處理器的容量和速度都有較高要求。因此，光場成像在技術(shù)實(shí)現(xiàn)、軟硬件處理能力、商業(yè)化成本以及使用便捷性等方面還有亟待解決的問題。三、總結(jié)就光場的定義、光場成像技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、特點(diǎn)及發(fā)展趨勢對光場成像技術(shù)進(jìn)行闡述。光場成像作為一種計(jì)算成像的方法，利用現(xiàn)代信息處理技術(shù)的優(yōu)勢，不僅克服了傳統(tǒng)成像在原理上的某些局限性，同時(shí)也降低了成像能力對于物理器件性能的依賴性。但必須以犧牲一定空間分辨率為代價(jià)來實(shí)現(xiàn)光場成像技術(shù)的三維記錄的事實(shí)，使得我們對光電探測器件提出的要求越來越高，因此光場成像在技術(shù)實(shí)現(xiàn)、軟硬件處理能力、商業(yè)化成本以及使用便捷性等方面還有亟待解決的問題。四、參考文獻(xiàn)LumsdaineA,GeorgievT.Fullresolutionlightfieldrendering:adobetechnicalreport[R].California:AdobePress,2008.LevoyM.Lightfieldsandcomputationalimaging.Computer,2006,39(8):46-55.GershunA.Thelightfield.Moscow.JournalofMathematicsandPhysics,1936,18.GershunA,MoonPH,TimoshenkoG.Thelightfield.MassachusettsInstituteofTechnology,1939.周志良.光場成像技術(shù)研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文，2012.BabacanSD,AnsorgeR,LuessiM,etal.Compressivesensingoflightfields.Proceedingsofthe16thIEEEInternationalConferenceonImageProcessing,2009.2337-2340.聶