光场摄影：让菜鸟和大师站同一起跑线？

    在达·芬奇的绘画手稿中,他写道,“物体里辐射出无数的金字塔，布满了空中。这些金字塔彼此交织互不干扰......它们作为一个整体布满了整个空中，每一个最小的部分接收到它自己产生的影象。”

    如今,科学家和工程师们更喜欢考虑光线而不是达芬奇富有诗意的“光芒金字塔”。但光场摄影技术的出发点恰恰是他的这些观点,光线到达任何一点——他所谓的空中“最小的部分”——携带所有必要的信息，重现任何从那个地方得到的视图。

    一个普通相机做不到这些吗?答案是做不到。传统数码相机,打在图像传感器上的光线每个点是结合在一起的。传感器记录落在每一个点光线的总强度,称感光单元,但在此过程中失去了来自不同位置光线的方向信息。

    所以最好的一个典型的相机可以提供的只是我们熟悉的二维照片,当进行拍照时，有一个固定的视角和完全由镜头设置决定的焦点。

    光场摄影则不同了，它不仅仅记录落在每个感光单元所有光线的总和,光场相机还旨在测定每个进入的光线强度和方向。有了这些信息,您就可以生成不只是一个, 而是每一个在那一刻进入相机视野的可能的图象。例如,一个人像摄影师常常会调整相机的镜头，以便对面部进行聚焦,刻意模糊背景。也有人想要得到模糊的面部，背景要十分清晰。有了光场摄影,同一张照片，你可以获得任何效果。
 
    自1826年，当约瑟夫·尼塞福尔·涅普斯拍了第一张永久性的风景照片以来，光场技术的发展是成像技术的最大变化之一。一个光场快照可以在图片获取后给照片进行聚焦、曝光、甚至调整景深。那只是个开始。下一代的光场光学魔法有望带来超精确的面部识别系统、个性化的3 D电视、带有视窗的相机,和你从窗外看到的景色一模一样。光场相机的相关研究始于20世纪90年代的斯坦福大学，而当时研究人员为了捕捉光场，整整动用了100台相机。如今，Lytro刚刚发布的光场相机小到可以直接揣到口袋里。

    Lytro,一个从硅谷起步的公司,刚刚推出了全球首个面对消费者的光场相机,拍摄照片时可以聚焦人们希望拍到的场景,不论是照相机本身或在线。Lytro公司的承诺不会有更模糊的主题,不会有快门延迟等待相机镜头聚焦。很快就有个新的相机软件,甚至会产生3d图像。

    但光场相机也要有很强的运算能力,挑战现有的设定分辨率和图像质量,并促使生产者重新考虑产品标准和可用性。也许最重要的是,这些相机拍摄照片的创新行为，需要人们从根本上转变思考方式。

    一个光场相机记录的信息,从数学角度来说是事物的一部分,光学专家称之为“全光照函数”。这个函数描述的全部光线在任一时刻布满一个给定的空间区域,。这是一个有五个维度的函数,有三个函数(x,y,和z)来确定各个方位角度,再加上两个函数(通常用φ和θ)为每个传入光线的角度。
  
    在一个无任何障碍的区域测量光线,你只能记录4个维度而不是5个。想想看:如果你知道一个光线没有被挡住,简单的做法就是跟踪它的去向。记录下它射在一个平面上(x,y)，以及它照射的角度(φ和θ),你就可以得到它从何而来,到何处去。这个道理同样适用于任何光线照在任一角度的平面。因此,利用已知光线穿过一个单一平面,你就可以计算周围区域光线的位置和方向,前提是只要没有障碍物挡着。这个四维的函数被称为光场(也就是术语光场相机)。  

    这些理论多年前就已经知道。早在1908年,法国科学家加布里埃尔·李普曼因彩色摄影术，获得诺贝尔物理学奖，他发明了他称之为“积分相机“的东西。他的构想是利用一排微型的镜头把一个场景展现的电影屏幕上。这些镜头记录的多个视图，通过一个相同的镜头阵列处理过的影像，可以组成3 d图像。三年后,俄罗斯物理学家p . p . 索科洛夫制造了第一个积分相机，使用一个针孔阵列镜头而不是李普曼设想的那种难以制作的镜片。然而，构建光场相机所需的技术,几乎一个世纪都没有变成现实。

照片：左， Lytro公司生产的光场相机 ;右： Raytrix公司生产的光场相机

    取代胶片和针孔,Lytro相机采用一薄层数以千计的微型透镜,安置在主变焦镜头和一个标准的11兆像素数字图像传感器之间。主镜头把对象聚焦到微透镜的表面。每个微透镜反过来又把对象聚焦到主镜头,从显微透视角度来说视觉效果是无限的。

 

    这不是很容易想象,光线从不同的角度到达主镜头，聚焦在不同的微透镜上。每个微镜头将对象转变成一个微小的模糊图像，映射在它背后的传感器上。而那些微小的模糊图像不同部分的光线，则通过主镜头的不同部位传递。通过这种方式,在一次曝光中，传感器记录了通过主镜头的每条射线的位置(x和y)和它的角度（φ和θ)。要理解为什么要让您在过后聚焦您的照片,想想普通相机聚焦的道理。

    一般的相机,你必须调整焦距,才能把来自你拍照对象上所有的光线汇聚在相机传感器的一个点上。这取决于对象的远近,你把镜头拉近或拉远，以得到一个合适的焦距。一个光场相机不需要移动它的镜头,因为它可以计算相机拍到的任何平面上的光场。所以它生成的图像与不同的分镜头和传感器是一致的,无论特写还是远景。

    但是捕获完整的光场是有代价的。首先,相机须获得的数据量大幅增加，其次,最终图像的分辨率将损失严重,它只是有效限制微透镜阵列的数量,而不是解决相机的传感器问题。

    把记录的四维光场转换成二维图片，需要计算密集型傅里叶变换和光线跟踪算法。这些反过来取决于所访问的处理器要足够强大、紧凑,要是把相机作为一个面向大众市场的产品，还要足够便宜。
 
    Lytro相机,成本就400美元或500美元(取决于内存容量),实际上还包括引人侧目的处理硬件。但它只有三个控制开关,一个电源开关，一个快门按钮,一个八倍变焦主镜头控制钮。没有其他的调节设置,没有需要考虑光线的选项,且绝对没有手动控制装置。你拍摄一幅画面时,没有快门延迟，尽管相机大约需要5秒向您展示一个图像。在这期间,装置的计算结果会被记录在几个不同的虚拟相机上，设置不同景深的焦距。当你再点击触摸屏,聚焦点在不到一秒钟的时间就可移到你想要的地方。

先拍摄再聚焦

   有一些人士认为，光场相机的出现，会令专业摄影师感到颤抖，让菜鸟幸福到抓狂。在编者看来，光场摄影在技术上的确是对传统摄影的一种颠覆，单就按快门来说，它是让菜鸟和专业摄影师回到了同一起跑线，但是之后的事情也许会令菜鸟更菜，令专业人士更得心应手。因为光场摄影在后期操作上的选择余地太大了，有时候面临太多选择反而让人无处下手。就好比摄影刚出现的时候，有人认为它会将绘画送进坟墓，但历史证明了花开两枝，各有各美，而且拥有一定的绘画功底绝对助益于摄影。同样，对于一位真正领悟了摄影精髓的摄影师来说，机器永远是身外之物，万变不离其宗的那点“意思”才是艺术的真谛。