Фотография в световом поле: что это и как работает?

Фотография в светлом поле существует уже давно. Первое аналоговое устройство светового поля было изобретено в 1908 году Габриэлем Липпманном, который в конечном итоге получил Нобелевскую премию за свою работу по цветной фотографии.

Фотография в светлом поле увлекательна, поскольку позволяет перемещать плоскость фокусировки изображения после того, как изображение уже было снято, что невозможно в обычной фотографии.

Итак, как работает фотография в светлом поле? Эта статья научит вас всему, что вам нужно знать.

Что такое фотография в световом поле?

Обычная фотография работает очень похоже на человеческий глаз. Вы фокусируетесь с помощью камеры, и сенсор фиксирует двухмерное изображение трехмерного пространства, причем «срез» этого пространства находится в фокусе. Все впереди или позади области фокусировки размыто и не в фокусе. Это связано с тем, что обычный датчик фиксирует информацию только об интенсивности света.

Световое поле относится ко всем лучам света (каждому фотону) в сцене. Световые лучи, составляющие световое поле, определяются пленоптической функцией (поэтому камеры светового поля также называют пленоптическими камерами). Пленоптическая функция описывает луч света в пяти измерениях: его координаты в трехмерном пространстве (X, Y, `) и его направление в двухмерном пространстве (два угла).

Фотография светового поля захватывает информацию из светового поля в конкретной сцене, в том числе как интенсивность света, так и направление световых лучей (согласно пленоптическому функция).

Фотография в светлом поле сильно отличается от обычной фотографии. Он позволяет делать трехмерное изображение и выбирать, где будет фокусировка постфактум. Используя несколько датчиков, можно уловить как падающий свет, так и направление световых лучей.

Как работает фотография в световом поле?

Как уже упоминалось, камера светового поля фиксирует всю информацию о световом поле перед камерой. Эта информация включает интенсивность, цвет и направление света. Благодаря этому можно математически определить, откуда исходит каждый луч света, прежде чем он достигнет датчика. Это означает, что можно построить трехмерную модель сцены.

Например, есть несколько методов захвата светового поля:

• Использование одной камеры для захвата информации о сцене с разных ракурсов. Этот метод производит выборку из множества изображений.
• Массивы с несколькими камерами. Обычно они включают в себя десятки датчиков в широком диапазоне, каждый из которых собирает информацию о сцене под немного другим углом. Этот метод также создает сразу несколько изображений.
• Матрицы микролинз. Наличие массива из сотен микролинз перед одним сенсором цифровой камеры позволяет регистрировать информацию светового поля. Это создает изображение, состоящее из сотен фрагментов изображения.

Каждое изображение или фрагмент изображения отличается тем, что улавливает световые лучи, исходящие из немного разных мест в пространстве. Поскольку каждый пиксель будет отображать немного другую сцену, записывается информация об угле падения светового луча. Это позволяет рассчитать расстояние до каждого объекта от камеры и положение в сцене и, в конечном итоге, разработать 3D-модель сцены.

Применение фотографии светового поля

Есть разные способы использования фотографии в светлом поле, которые могут быть невероятно полезными. Поскольку вся информация о световом поле сцены записывается, можно обрабатывать изображения светового поля разными способами, которые невозможны в обычной фотографии.

Пользовательский фокус

Самая известная особенность фотосъемки в световом поле - это возможность изменять точку фокусировки после того, как изображение было снято. Это связано с тем, что информация, полученная камерой, включает фокусировку на каждом расстоянии, что означает что с помощью сложного программного обеспечения можно выбрать любое расстояние, которое будет фокусом сцена.

Переменная глубина резкости

Подобно фокусировке, из-за характера записываемой информации можно обрабатывать изображения с «синтетической апертурой». Диафрагма - это диаметр отверстия в линзе и определяет глубину резкости (насколько не в фокусе передний и задний план) на изображении.

Связанный: Почему F-Stop важен в фотографии

Поскольку изображение светового поля включает информацию на всех возможных расстояниях фокусировки, можно создавать изображения с минимально возможной глубиной резкости (в фокусе находится только очень маленький участок). Также возможно создать изображение с бесконечной глубиной резкости, в котором все в изображении находится в фокусе.

Эффект параллакса

В зависимости от способа захвата светового поля можно получить немного разные углы обзора сцены. Это зависит от диаметра или ширины системы, используемой для получения изображения. Чем шире система линз, тем больше света улавливается с более широких углов.

После того, как изображение было снято, можно немного изменить перспективу изображения, как если бы вы двигали головой в реальной сцене. Это называется эффектом параллакса. Используя эффект параллакса, также можно восстановить трехмерное изображение.

Рассчитать расстояния

В зависимости от чувствительности системы фотосъемки светового поля и того, насколько хорошо известны ее оптические свойства, можно рассчитать расстояние от объектива до объектов в сцене. Одним из основных применений этого может быть микроскопия, где полезно точно измерить размер синтетических или биологических образцов.

Изменить условия освещения

Поскольку при фотосъемке в светлом поле записывается так много информации о глубине сцены, с помощью программного обеспечения постобработки можно точно восстановить освещение сцены. Поскольку программное обеспечение знает относительное положение всех объектов на изображении, оно может убедительно рассчитать, где упадут тени.

Виртуальная реальность

Фотосъемка в светлом поле может навсегда изменить кинопроизводство и виртуальную реальность. Это потому, что фотографию светового поля можно использовать для создания реальной виртуальной реальности. Google разработал примеры по этому поводу, которые можно просмотреть на Готовить на пару.

Используя массив вращающихся камер из 16 GoPros, они сделали тысячи изображений, на которых была записана вся информация о световом поле в трехмерном пространстве. Затем они смогли создать трехмерную виртуальную реальность с шестью степенями свободы.

Камеры светового поля - будущее фотографии?

В 2012 году была выпущена первая камера для светового поля на потребительском рынке. выпущен компанией Lytro. Эта камера имела разрешение в один мегапиксель с постоянной диафрагмой F / 2 и продавалась по цене от 400 до 500 долларов. С тех пор на рынке появилось очень мало камер светового поля, ориентированных на потребителей.

Отсутствие разрешения и качества изображения означало, что камеры со световым полем просто не стали популярными на потребительском рынке, как зеркальные. Фактически, многие применения технологии светового поля все еще находятся в разработке.

Но есть причина, по которой Google (а теперь и Apple) инвестируют в эту технологию, и ее использование для создания трехмерного пользовательского интерфейса для виртуальной реальности - лишь один из примеров!

В Facebook сейчас 10 000 человек работают над устройствами AR / VR

Стремясь уменьшить свою зависимость от Apple и Google, Facebook делает ставку на Oculus.

Читать далее

Об авторе