环境观察员

环境观察员
环境赐予人类相信真理的力量

朱佳梦:文科生也能5分钟理解的 “光场是什么”

朱佳梦:文科生也能5分钟理解的 “光场是什么”

  之所以写这篇文章,是因为有一天老婆(纯粹的文科生一枚)突然问了我一个问题:

  “ 那个

  Magic Leap 最近很火也,貌似是光场显示,老公你能跟我解释一下什么是光场吗?”

  一开始我对这样的问题嗤之以鼻,我心中暗想:哥花了4年时间读 PhD 研究的就是光场显示( Light

  Field Display ),如果几句话就把 “光场” 跟你讲清楚了,那我的 PhD 岂不是白读了么?![1] 然而转念一想,xxx曾经说过:

  “ 如果不能用简短的几句话把一个问题讲清楚,说明你自己对这个概念的理解还不够深刻 ”

  于是那天晚上我几番尝试解释清楚光场,边刷牙边想,边洗澡边想…

  … Eureka!

  好的,我要开始解释什么是光场了!!!

  “光场” 就是用来记录光线分布情况的一个模型。就像一张 “相片” 记录的是某一瞬间你看到的景象一样,“光场” 就是一张更高维度的 “相片”,同样也是在描述某个时刻光线的分布情况,只不过 “光场” 这个模型所记录的信息量比普通照片更大一些罢了。

  更具体一点来说,先来看一下普通相机记录下的是什么样的信息吧。其实就是我们在中学的物理课上都学过的“小孔成像”原理,见图1.

  图1. 小孔成像原理图 [2]

  光线被物体反射到各个方向上,其中通过小孔(pinhole)的那一部分光线被底片(image)记录下来形成一张相片。我们每一次按下快门拍摄一张照片,实际上就是对真实世界中的光线分布进行了一次非常简单的采样。

  如果你仔细思考一下,每一张相片所捕获的信息实际上是极少极少的:即在某一瞬间,通过空间中 “某一个点 ” 的几百万根光线罢了。假设相片的像素是800万,那么这个信息量就相当于是800万条光线穿过光圈时的分布情况。[3]

  小孔成像无法采集的一个重要信息就是:光线在通过空间中 “其它点 ” 时的分布情况。

  “光场” 模型就是用来解决这个问题的。

  光场模型其实就是说,我们不如在一个平面上放满相机,这样我们就可以采集到:在某一瞬间,光线在穿过空间中的各个不同的点时候,这些光线的信息是什么样的。见图2.

  图2. 光场示意图 [4]

  一直都挺火的

  Lytro 光场相机实际上就是用一个小透镜阵列(Micro

  Lens Array)来模拟相机阵列,达到捕捉光场相片的效果。(见图2.

  右侧的示意图)[5]

  “光场” 和普通 “相片” 的区别,基本上讲完了。5 分钟到了吗? :D

  你如果仔细思考一下,我们每一次按下快门拍照,实际上就是对这个真实世界的一次采样,在那一个瞬间,你的相机镜头记录下了所有穿越过光圈的光线信息。普通相片记录的是通过 “ 一个点 ” 的光线信息,光场记录的是通过 “ 一个面 ”(一堆点)的光线信息。

  光场的好处是记录了更多的信息,可以在后期做很多处理来实现诸如重新对焦,三维重建,变换视角等等应用;坏处也是记录了太多的信息(4维,相比于传统相片的2维),处理起来太费时费力,同时单张相片的分辨率更低了。

  Magic Leap实际上做的是 “光场显示”,“光场显示” 就是 “光场拍照” 的逆过程,类似的比喻就是普通显示器是二维的显示屏幕,“光场显示” 是一个四维的显示。具体细节可以另外再谈吧。

  参考资料

  [0] 题图取自网络:Adobe LightField Camera Protypes

  [1] 顺便推销一下我的论文, 嘻嘻,题目是:Augmenting Digital Displays with Computation

  [2] 图片引用自网页:

  [3] 这个非常浅显易懂的概念,我第一次听到实际上是在斯坦福听 Shree

  Nayar 的演讲时。

  当时简直有点 mind blowing,强烈推荐 Shree Nayar 的科研成果,都非常赞!

  [4] ,曾经被评委硅谷最受欢迎的创业公司

  [5] 光场的概念在学术圈火起来始于祖师爷 Marc Levoy

  1996年的文章

  Light Field Rendering

环境观察员 版权所有,未经允许不得转载:环境观察员 » 朱佳梦:文科生也能5分钟理解的 “光场是什么”
分享到: 更多 (0)

猜你也想读下面的文章: