“先拍照后对焦”——浅谈光场相机

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(microlens array)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”。

 

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 Ren Ng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 field camera），有些技术组称之为“全光相机”（plenopitc camera）。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Marc Levoy成功的将一部Contax 645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

光场相机的核心是记录成像光线的矢量，用Ren Ng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Megavision FB4040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Ren Ng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

 

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Contax 645、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。Ren Ng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Contax 645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Ren Ng在技术上而不是市场上做出更大的突破。

 

（FIN）