01 背景?

眼睛是人類認識世界的重要“窗口”，而相機作為眼睛的“延伸”，已經成為生產生活中最常見的工具之一，廣泛應用于工業檢測、醫療診斷與影音娛樂等領域。傳統相機通常以“所見即所得”的方式記錄場景，傳感器捕捉到的二維圖像實際上是高維光信號的強度投影信息，丟失了光信號中實際蘊含的深度、角度與相位等維度信息。

光場成像技術則突破了傳統成像的維度局限，能夠同時記錄光的空間和角度信息，發展出了新型計算光學成像模式。然而，光場信息的獲取也面臨著"魚和熊掌不可兼得"的難題。例如：目前常用的光場相機借助微透鏡陣列將光信號的空間與角度信息同時記錄在傳感器上，這也意味著傳感器的像素總容量需要部分分配給角度信息，故只能得到較低空間分辨率成像結果；雖然利用光場空間-角度信息能夠進一步估計觀測場景的深度信息，但是只能反映場景的相對位置分布，無法得到真實的物理尺度。

如何獲得高空間分辨率光場信息并實現光場測量是拓展光場成像技術應用領域范圍亟待解決的問題。深圳大學劉曉利教授團隊提出一種掃焦一致性光場成像方法，通過相機成像標定建立焦點掃描空間中精確的物像空間轉換關系，實現了空間一致性光場重建。在此基礎上，在度量空間中將重建物光場的深度感知轉化為深度測量，實現了掃焦光場成像與測量。

02 一致性光場成像與測量

2.1 一致性光場成像分析

計算光場成像技術借助光場傳輸特性對入射光場進行先調制、后解調，無需增加額外的光學器件即可獲取高空間分辨率光場信號，為傳統相機賦予了光場成像能力。圖1展示了基于焦點堆棧的光場重建過程。利用相機與物體的相對移動或調節成像焦面，采集不同焦面上的圖像來構建焦點堆棧。每幅圖像對應特定傳播距離處的光場空間-角度重采樣，即攜帶了部分光場信息，進而利用光場傳輸特性可以從焦點堆棧中反演全像素分辨率光場信號。

圖1??基于焦點堆棧的光場重建

光場信息復原源自于具有特定焦點位置關系的圖像堆棧，其重建精度依賴于傳輸距離先驗的準確性與光學系統的成像特性。根據相機成像關系，物空間的傳播距離與像空間的像面位置并不是線性關系，破壞了物像空間中光場傳輸信息的一致性。此外，使用相機鏡頭不可避免地會引起桶形、枕形畸變等非線性圖像變形。這些物像空間的非線性因素最終影響了光場重建精度。

為解決上述問題，研究團隊提出了一種一致性光場成像方法。首先，對掃焦光場成像的空間一致性問題展開研究。使用光場相機采集的光場數據作為參考光場，進行數字重聚焦后生成不同焦面的圖像作為像空間圖像堆棧，該過程等價于傳統相機的堆棧采集過程。隨后，分別使用物空間和像空間的傳輸距離從原始圖像堆棧中重建光場信息。其中，像空間光場重建滿足空間一致性條件，而物空間光場重建不滿足空間一致性條件，結果如圖2所示。圖2(a)展示了對光場數據進行重新排列而得到的多視角圖像，等效于不同視角下的拍攝效果，反映了場景光場的角度信息，可以對光場重建結果進行可視化和對比分析。圖2(b)展示了重建的像空間光場和物空間光場相對于參考光場的誤差對比結果，可以看出：相較于物空間光場，滿足空間一致性的像空間光場具有更低的重建誤差，可以準確恢復光場不同觀察視角的結果。通過對光場多視角成像和不同掃焦深度范圍的光場重建進行實驗對比和分析可知，滿足空間一致性條件是高精度光場重建的必要條件。

圖2 光場重建對比分析。?(a) 光場多視角成像；?(b) 空間一致性問題的光場重建誤差對比

2.2 一致性光場深度測量

在實際應用過程中，除了物像空間的非線性深度映射，使用相機鏡頭還會引入成像畸變、圖像縮放等非線性因素，這同樣會降低光場重建精度。相機成像通常可以使用針孔成像模型結合成像畸變模型來描述，如圖3(a)所示。通過標定技術可以確定相機的焦距、光心與畸變等光學參數。據此，研究團隊進一步提出了一種一致性光場測量方法，通過相機預標定建立了精確的物像空間轉換關系，并校正了鏡頭畸變引起的圖像變形。實驗結果表明，該方法能夠有效消除空間不一致性、成像畸變等非線性因素對光場重建的影響，準確恢復物光場的多視角信息[圖3(b)]，并且在度量空間中實現了對目標物體的光場深度測量[圖3(c)]，將光場成像推廣至光場測量，實現了掃焦一致性光場成像與測量。

圖3 計算光場重建與測量。?(a) 針孔相機成像模型；?(b) 物光場的多視角圖像；?(c) 度量深度圖

03 總結與展望

本文基于焦點堆棧的高分辨率計算光場成像與測量技術，分析了高精度光場重建的空間一致性條件。在此基礎上，通過相機預標定為目標物體的圖像堆棧建立了精確的空間轉換關系和度量基準，將傳統相機轉變為一種光場成像設備，實現了從光場深度估計到深度測量的跨越，為計算光場成像與測量的實際應用提供了新思路、新方法。在未來的工作中，研究團隊將進一步探索掃焦光場精密測量機理和技術，充分發揮高維光場信號的角度分辨在測量信息獲取中的潛力和優勢。

文章轉自：中國激光雜志社；??

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