Lytro相机:拍摄后可调整焦点的创新相机

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Lytro相机:拍摄后可调整焦点的创新相机

Lytro相机有着简单的触摸屏界面和液晶显示屏。

拍出完美的照片既是一门艺术,也是一门科学。在过去,当胶片是唯一可用的介质时,你必须确保拍摄时使用了合适的镜头、光线以及胶片类型。随着数码相机成为主流,镜头选择和光线依然很重要。同样重要的是要熟悉编辑软件,合适的工具可以帮助你调整图像的色彩平衡、对比度和其他特性。

即使是专业摄影师使用的相机也有局限性。其中一个局限是任何给定照片的焦点。想象一下,你设置了一个拍摄场景,一根树枝在前景,一个人在背景中摆好姿势。你调整相机设置,使背景中的人处于焦点范围内,前景中的树枝则不在焦点内,从而营造出你所期望的艺术画面,然后你按下快门。

之后,当你凝视自己的杰作时,心中却产生了挥之不去的疑虑。也许把焦点放在树枝而不是背景中的人物上会更好,也许这种模糊感会让照片更有趣。但你永远不会知道,因为你无法改变已拍摄照片的焦点。

Lytro相机解决了这个问题。它使用特殊的镜头和传感器来捕捉场景范围内的所有光场。当你用Lytro相机拍照时,这仅仅是个开始。购买相机时附带的特殊软件,可以让你在拍摄后调整图像的焦点。从前景焦点切换到背景焦点只需轻轻一点手指或点击一下鼠标。

二、聚焦问题

从最基本的层面来说,相机是对光线的记录。当你拍摄一个场景时,场景反射的光线会击中相机的镜头。镜头使光线弯曲并将其重新导向记录介质。在胶片相机中,这种介质是一条经过化学处理的塑料带;在数码相机中,是一个电子传感器。

场景中的光线在穿过镜头时会发生弯曲,光线会汇聚到一个点上。如果你希望照片中的主体对焦清晰,就需要这个点位于胶片表面或数字传感器上。你可以通过将镜头移近或远离介质来调整光线的汇聚点。当你在相机中对焦镜头时,实际上是镜头在靠近或远离相机的其他部件。

镜头的曲率决定了光线在离镜头表面多远处汇聚成一个点。平面镜头使光线弯曲的角度不如曲面镜头那么大。这就是为什么平面镜头的汇聚点比曲面镜头离镜头更远。根据你想要拍摄的对象,你需要合适的镜头来确保主体对焦清晰。

传统摄影的标准方法是对击中图像的所有光线求和。传统相机没有一种选择可以捕捉所有信息,以便在拍摄后切换焦点——最终图像呈现的就是拍摄时的样子。但是,如果你能记录所有单独的光线,使图像包含场景的所有视觉信息,那么你就可以使用合适的软件从一个焦点切换到另一个焦点。这就是Lytro相机的基础,它不仅捕捉场景中的总光量,还捕捉实际的光场。

三、光场

用Lytro相机拍照只需按下一个按钮,之后再对焦。(由Lytro提供)

当我们看到一个被照亮的物体时,我们的眼睛会检测到从该物体反射回来的光线。光线向各个方向传播——如果物体是透明的,光线也会穿过它继续传播。如果你能在这个被照亮的场景中的空间里分离出一个点,你会发现光线交叉穿过,向各个方向传播。

光场描述了这种现象。你可以把光线看作是具有五个维度的东西。其中三个维度是我们都熟悉的空间维度——大致相当于高度、长度和深度,即x、y和z轴。另外两个维度指的是光线沿着光线传播的方向。

光线的几何分布就是我们所说的全光函数。“plenoptic”这个词来源于拉丁语“plenus”,意思是完整的。光学指的是光的行为。为了捕捉场景中的全部光线,我们需要一台全光相机。

一台真正意义上的全光相机只是一种思维实验。不透明的物体阻挡光线——它们会造成遮挡。为了捕捉光场,相机——以及摄影师——必须同时占据拍摄对象周围的每个视角,而且不能阻挡光线。我们还没有想出如何放置相机来捕捉拍摄对象周围的每个视角,或者防止遮挡。但是Lytro相机确实模拟了一些全光功能。

该设备与普通数码相机有一些共同点。它有一个镜头和光圈,光线通过它们进入相机,还有一个检测光线的传感器。但在两者之间有一个微透镜阵列。这些透镜比Lytro的主镜头小得多——作为Lytro前身的全光相机原型机,其微透镜比主镜头小280倍。[来源:Ng]

阵列中的透镜将来自主镜头背面的光线导向传感器。传感器捕捉Lytro镜头光圈和传感器之间的光场。照片的分辨率取决于传感器的性能和阵列中微透镜的数量。一旦你捕捉到了图像,就到了处理数据的时候了。

四、模拟深度

想象一下,你有一张摆满物体的长桌子。你站在桌子的一端,聚焦在最近的一组物体上并拍照。用普通数码相机拍摄,最终得到的照片中最近的物体会对焦清晰,其他物体距离越远,在照片中就会越模糊不清。

最初,Lytro相机拍摄的照片看起来也可能是这样。但是如果你表示希望图像的不同区域对焦——也许你真的想看到你放在桌子另一端的那些很酷的玩具——焦点就会切换。

Lytro的传感器可以根据相机内捕捉到的光场生成不同的图像。当你拍摄照片时,虽然会受到实体相机焦点设置的限制,但Lytro给了你更多选择。这是因为你可以在拍摄后改变Lytro图像的焦深。

当你对焦实体相机时,你会移动镜头和光圈使其靠近或远离传感器。一个Lytro图像——其专有图像文件被称为光场图片(LFP文件)——包含该图片光场的信息。本质上,软件创建了一个虚拟镜头和传感器,模拟如果你在传统相机上实际改变焦点会发生的情况。虚拟镜头靠近或远离虚拟传感器。

一组复杂的算法来完成这项工作。你用相机捕捉到的光线作为信息。这些算法是Lytro软件需要遵循的一组指令。软件模拟实体相机的操作,并生成具有适当焦点的图像。如果没有光场的信息,这是不可能的——Lytro将没有切换焦点所需的信息。

该公司提供一款名为Lytro Desktop的软件产品,可让你在计算机上存储和处理Lytro照片。最终,该相机可能还允许你拍摄具有扩展景深的照片。这意味着你可以拍摄前景和背景都有物体的照片,并使所有物体同时对焦清晰。扩展景深算法本质上是通过选取从Lytro相机拍摄的每个潜在照片中最清晰的部分来拼凑出一张照片。这就像是拍摄一系列具有不同焦点的照片,剪出所有实际对焦清晰的部分,然后将它们粘贴在一起。

五、动态图片

Lytro公司将LFP图像称为“动态图片”。这是因为你可以通过一个名为Lytro Web的特殊平台分享这些图像。该平台支持让你切换图像焦点的软件。通过在这个平台上分享你的照片,你可以让其他人浏览你的照片,并随心所欲地频繁切换焦点。

你也可以选择将文件存储在本地计算机上,使用Lytro Desktop软件查看。该软件也让你能够随时切换用Lytro相机拍摄的任何图像的焦点。虽然LFP文件包含你拍摄的图像光场的所有信息,但软件包含切换焦点所需的指令集。

光场摄影方法的一个缺点是图像文件往往很大。它们很大是因为捕捉光场中的所有信息会占用大量的数据空间。一个典型的LFP文件大约为16兆字节。相比之下,网络上典型的JPEG图像可能只有30千字节或更小。

另一个缺点是你无法在Lytro Web平台之外分享LFP图像。如果你想分享LFP图像,首先必须将其上传到Lytro Web,然后你可以将链接发送给任何你想分享的人。

你可以将LFP文件转换为JPEG文件,但有个问题。JPEG文件不支持动态图片格式——换句话说,你无法切换焦点。要将LFP导出为JPEG文件,首先你必须选择图像中想要的焦点。作为JPEG文件,你的照片将不可更改——它只是一张普通的数码照片。

光场摄影是否会消除对构图和对焦等摄影技巧的需求呢?短期内,Lytro相机的局限性似乎使其无法消除严肃摄影师经过多年实践培养起来的辛勤努力和艺术技巧。但也许在未来,这些相机会让人们轻松地先拍摄,然后再随心所欲地对焦。

这里有一个动态图片的例子。这张图像是由Lytro社区成员hanlin拍摄的。点击背景中的埃菲尔铁塔可使其对焦清晰,点击前景中的模特则可将焦点切换回来。

六、参考来源

Adelson, Edward H.和Bergen, James R.《全光函数与早期视觉要素》,《视觉处理的计算模型》,麻省理工学院出版社,1991年,第3 – 20页。

Lytro支持/知识库。(2012年7月22日)http://support.lytro.com/categories /20018873 – knowledgebase

Ng, Ren.《数字实地摄影》,斯坦福大学学位论文,2006年7月。(2012年7月22日)http://www.lytro.com/renng – thesis.pdf

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