“先拍照后对焦”——浅谈光场相机 手机拍照对焦


3天前,国内各大科技、摄影和财经媒体援引《纽约时报》报道称“创业公司Lytro计划在今年晚些时候推出一种创新型相机,它允许用户先拍照后聚焦”。“相比传统相机,Lytro相机可以从多个角度捕捉更多光线数据,完成这一功能它使用了一种名为显微镜头阵列(microlensarray)的特殊传感器,它等同于把多个镜头放到很小的空间内,这被认为是此次突破性技术的核心部分”。
“先拍照后对焦”——浅谈光场相机 手机拍照对焦
Lytro公司的“照片革命”宣言消息一出,引起摄影爱好者不小的反响,很多人都认同Lytro创始人CEO RenNg的说法,“这是一场照片革命”。Lytro真的是改变人类摄影历史的里程碑吗?
“先拍照后对焦”相机不算是新玩意儿,学名叫做“光场相机”(light fieldcamera),有些技术组称之为“全光相机”(plenopitccamera)。斯坦佛大学早在1996年就开始了关于光场相机的课题研究。2005年,还在斯坦佛攻读博士学位的Ren Ng和MarcLevoy成功的将一部Contax645相机改装为光场相机,撞针大概就是那个时候开始关注光场相机的。撞针认为它很有创意,在很多方面都有很好的前景。2008年,软件巨擎Adobe曾经发布过关于集束19个镜头的光场镜头原型,很令人振奋。光场相机可以在拍摄后调焦,也就可以记录3D照片,还可以减轻噪点,简直就是科幻电影中的全息影像,或者哈利·波特里的照片。
斯坦佛大学光场相机阵列(2004)

Ren Ng和手持光场相机(2005)


Adobe的集束光场镜头原型(2008)《纽约时报》的称“与普通相机相比,Lytro相机的不同之处在于它可以从很多角度收集更多的光线信息”,Lytro官方介绍也给出的介绍有类似的含义。这样理解光场相机肯定是不太对的。光学101:光在同种均匀介质中沿直线传播,除非Lytro相机在多个不同角度有镜头,就像斯坦佛2004年的多相机阵列那样,否则它绝不会比普通相机收集更多角度的光线。其实不光是角度问题,我们甚至很难说光场相机收集了“更多的信息”。
Ltyro公司给的光场解释是对的,但示意图有点夸张光场相机的基本原理
光场相机的核心是记录成像光线的矢量,用RenNg的话说就是记录4D光场,而不只是2D的图像。如图,光场相机将CCD/CMOS后移,在焦平面的位置上增加了一块微透镜阵列,该阵列中的每一个微透镜会将镜头的成像重新透射到CCD上,CCD上每一个像素记录的光线,就对应从镜头出瞳-入瞳某一个部分入射到该微透镜的光线,这样我们就知道了落在每一个微透镜上的光线(成像)是由N个方向上N种不同光线(成像)叠加而成的。
计算机解析4D和2D光场信息的过程
通过计算机图像计算,可以虚拟出将这些光线(成像)在其他某个平面上的叠加情况,每一个平面对应一个对焦距离。因而光场相机可以先对某一大致位置拍摄,然后计算出对前后某点对焦的时的像情况。
这个创意简单,但非常美丽。但是有什么不足呢?
首先光场相机的分辨率是由微透镜阵列而非成像元件决定的,每一个微透镜都需要多个像素点来支持,因而光场相机的分辨率“相比传统相机”要小得多。
第一部手持光场相机的构造Ren Ng 2005年制作的相机使用MegavisionFB4040数码后背,约1600万有效像素,最后的有效输出还不到9万像素(296×296)。今年推出的Lytro相机如果真像RenNg所言属于消费级机型,则CCD像素应该还是1000多万像素,有效分辨率不会有飞跃。当然,光场相机可以根据光场中每一条光线信息来“解算”出更多的输出像素,但这种“猜出”来的像素,常常伴随着错误纹路。Lytro也可以降低4D矢量记录要求(每一个微透镜少对应几个CCD像素),提高2D分辨率,但撞针个人估计,Lytro相机的最终输出分辨率不会超过1200x900像素,有可能是800x600甚至更低。或者为了解算方便,使用600x600的方形画幅。
1600万像素CCD得到的8.76万像素照片
说到底,CCD有多少像素就记录多少信息,要同时记录4D光场,那么2D图像就只能少记录一些。即便结算或者差值达到更高的像素,光场相机的输出依然不太适合冲印大尺寸照片,只适合以数码方式浏览。
另一个问题是光场相机对于相机的光学系统有要求。光场相机的主镜头必须用大光圈,这样才能保证光场中每一个光线矢量的差异性。主镜头的光圈、焦距、入出瞳比发生变化后就需要不同的解算参数。其对焦距离范围也会有一定限制,近景和远景的成像都不会特别理想。因此Lytro的早期产品很有可能是使用主光圈不可调的标准定焦镜头,这就限制了快门应用和构图的灵活性。
作为Contax645、80/2.0镜头加数码后背拍出来的片子,效果真的不算好
还有一点是像差问题。RenNg认为通过对光线矢量的计算可以矫正镜头像差,用简单廉价的镜头获得锐利的成像。这个想法原理上很棒,光场的矢量解算对付单色像差,例如球差、彗差、场曲、像散应该是很有效地,但当涉及色像差时很有可能遇到问题——影响微透镜阵列的色差不但难以矫正,而且很有可能影响光场记录的结果。这就给广角和长焦镜头的应用带来了一片乌云。
Lytro的样张,很有可能还是那部Contax645拍的
不要忘记,微透镜阵列中的微透镜本身也是有像差的,这些像差也会影响到最终成像,而且矫正的难度极大,阵列边缘的微透镜尤其如此,这也将成为光场相机将来提高分辨率的障碍。此外,光场相机在色彩解算还原、暗角、元件定位等方面都有一些门槛。

这就是撞针这几年所了解的光场相机,它到底是数码影像领域一个很有前途的分支技术,还是颠覆摄影方式的技术革命,这个结论大家自己去判断吧。很有可能家庭娱乐摄影者、摄影爱好者和严肃摄影者会有完全截然不同的看法。在目前的媒体报道以及Lytro自己的宣传中,多少有一些不尽不实的技术夸耀,联系到Lytro刚刚获得多家风投的5000万美元天使投资,联系到2005年完成试验机到2011年才完成成品,联系到目前数码摄影技术领域的风云变化,这种夸耀很好理解,但撞针还是期待RenNg在技术上而不是市场上做出更大的突破。(FIN)

  

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