人机交互技术5—光场成像.pptx

光场成像 背景知识 全光函数 光场 光场采样 光场的获取 背景知识-艾里斑 背景知识-艾里斑 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 瑞利判据：当一个艾里斑的边缘正好与另一个艾 里斑中心重合时，这两个艾里斑刚好能被区分开。 d为像素尺寸 D为光圈直径 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。 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 光圈值，是镜头的焦距/镜头通光直径得出的相对值（相对孔径的倒数）。例如针对50mm的标准镜头而言，最大的通光直径为29.5mm，其最大光圈的计算值为50mm÷29.5mm=F1.7，这样就能够理解同一变焦镜头在不同的焦距下，虽然最大的通光直径相同，但是换算之后其最大光圈是不同的。F值越大，光圈越小，反之，F值越小，光圈越大。 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 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 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 2006年，Levoy研制出光场显微镜 全光函数包含7个变量 空间位置(3D) 特定方向(2D) 特定时刻(1D) 特定波长(1D) L=p(x, y, z, θ, φ ,t, λ) 全光函数 全光函数 使用全光函数子集的成像方式 传统摄影 全景成像 视频序列 光场成像[Levoy96, Gortler96] (4D sub-set of x, y, z, θ, φ ) 动态光场[Wilburn05] (5D sub-set of x, y, z, θ, φ ,t) 波长通常以RGB形式表述 在实际的成像系统中，辐射限定在有限的范围内 LDR HDR 缺点： 许多场景参数成型建模为时间参数 动态场景 照明变化 光与物质的相互作用 难于编辑 改进 全光照明函数[Wong02] 反射场[Debevec00] 全光函数 光场(Light field)的概念最早由A. Gershun于1936年提出，用以描述光在三维空间中的福射传输特性。 光场是表示光辐射分布的函数，反映了光波动强度与光波分布位置和传播方向之间的映射关系。 在几何光学中，光场指的就是光线强度在空间中的位置和方向分布，该分布函数可用光线与两个平行平面的交点坐标来进行参数化表征。 光场可用4D函数表示 假设自由空间 光是沿射线常数 光场的参数化 L(u,v,s,t)表示光场的一个采样，其中各变量分别表示: L为光线强度 (u,v)和(s,t)分别为光线与两个平面的交点坐标 在四维(u,v,s,t)坐标空间中,一条光线对应光场的一个采样点 光场的参数化 采用双平面参数来表征光场的合理性和实用性在于 现实中的大部分成像系统中都可以简化为相互平行的两个平面 比如传统成像系统中的镜头光瞳面和探测器像面 如果用探测器像面中的坐标(x, y)表示光线的分布位置,那么镜头光瞳面坐标(u,v)就反映了光线的传输方向 光场的参数化 传统成像系统中，探测器像面上每个点接收来自整个光瞳的光线进行积分，像面(x,y)处的光照度为 其中,(u,v)为镜头出瞳而上的坐标。 传统成像系统所探测到的光场只能反应其强度和位置(x,y)之问的关系,而损失了其(u,v)方向信息 光场的参数化 与传统成像不同，光场成像需要利用二维的探测器像面来同时记录光场的四维信息，即二维位置分布和二维传输方向。 为实现这四维信息向二维平面的转换，必须对四维光场进行重新采样和分布。 光场的采集 基于针孔阵列的光场釆样 光场的采集 在传统成像系统的探测器前方距离b处放置一组等间距针孔阵列可实现光场的重采样。 从镜头发出的光线经过每个针孔后投影到探测