Световое поле - Light field - Wikipedia

В световое поле это векторная функция который описывает количество свет течет во всех направлениях через каждую точку пространства. Пространство всех возможных лучи света дается пятимерный пленоптическая функция, а величина каждого луча определяется сияние. Майкл Фарадей был первым, кто предложил (в 1846 лекция «Мысли о лучевых колебаниях»[1]), что свет следует интерпретировать как поле, подобное магнитным полям, над которыми он работал в течение нескольких лет. Фраза световое поле был придуман Андрей Гершун в классической статье о радиометрических свойствах света в трехмерном пространстве (1936).

Пленоптическая функция 5D

Сияние L Вдоль луча можно представить количество света, проходящего вдоль всех возможных прямых линий через трубку, размер которой определяется ее телесным углом и площадью поперечного сечения.

Если концепция ограничена геометрическими оптика —Т.е., Чтобы бессвязный света и объектов, размер которых превышает длину волны света, тогда основным носителем света является луч. Мера количества света, проходящего вдоль луча, равна сияние, обозначаемый L и измеряется в Вт (Вт) на стерадиан (SR) на квадратный метр 2). Стерадиан - это мера телесный угол, квадратные метры используются здесь как мера площади поперечного сечения, как показано справа.

Параметризация луча в 3D пробел по позиции (Икс, у, z) и направление (θ, ϕ).

Сияние всех таких лучей в области трехмерного пространства, освещенной неизменным расположением источников света, называется пленоптической функцией (Adelson 1991). Функция пленоптического освещения - это идеализированная функция, используемая в компьютерное зрение и компьютерная графика для выражения изображения сцены из любого возможного положения просмотра под любым углом обзора в любой момент времени. На практике он никогда не используется в вычислительных целях, но концептуально полезен для понимания других концепций в области видения и графики (Wong 2002). Поскольку лучи в пространстве можно параметризовать тремя координатами, Икс, у, и z и два угла θ и ϕ, как показано слева, это пятимерная функция, то есть функция над пятимерным многообразие эквивалент произведению 3D Евклидово пространство и 2-сфера.

Суммирование векторов освещенности D1 и D2 возникающий от двух источников света I1 и я2 производит результирующий вектор D с указанными величиной и направлением (Gershun, рис. 17).

Как и Адельсон, Гершун определил световое поле в каждой точке пространства как функцию 5D. Однако он рассматривал его как бесконечный набор векторов, по одному в каждом направлении, падающих на точку, с длинами, пропорциональными их яркости.

Интегрирование этих векторов по любому набору источников света или по всей сфере направлений дает одно скалярное значение - полная освещенность в этот момент и результирующее направление. На рисунке справа, воспроизведенном из статьи Гершуна, показан этот расчет для случая двух источников света. В компьютерной графике эта векторная функция от 3D пространство называется векторное поле освещенности (Арво, 1994). Направление вектора в каждой точке поля можно интерпретировать как ориентацию, с которой можно было бы смотреть на плоскую поверхность, помещенную в эту точку, чтобы наиболее ярко ее осветить.

Более высокая размерность

Можно считать время, длина волны, и поляризация угол в качестве дополнительных переменных, что дает многомерные функции.

Световое поле 4D

Сияние вдоль луча остается постоянным, если нет блокираторов.

В пленоптической функции, если интересующая область содержит вогнутый объект (подумайте о руке в форме чаши), то свет, выходящий из одной точки на объекте, может пройти лишь небольшое расстояние, прежде чем будет заблокирован другой точкой на объекте. Никакое практическое устройство не могло бы измерить функцию в такой области.

Однако, если мы ограничимся местоположениями за пределами выпуклый корпус (представьте себе термоусадочную пленку) объекта, то есть в свободном пространстве, тогда мы можем измерить пленоптическую функцию, сделав много фотографий с помощью цифровой камеры. Более того, в этом случае функция содержит избыточную информацию, потому что яркость вдоль луча остается постоянной от точки к точке по его длине, как показано слева. Фактически, избыточная информация представляет собой ровно одно измерение, оставляя нам четырехмерную функцию (то есть функцию точек в конкретном четырехмерном пространстве). многообразие ). Парри Мун назвал эту функцию фотическое поле (1981), в то время как исследователи компьютерной графики называют это 4D световое поле (Левой 1996) или Люмиграф (Гортлер 1996). Формально 4D световое поле определяется как сияние вдоль лучей в пустом пространстве.

Набор лучей в световом поле можно параметризовать различными способами, некоторые из которых показаны ниже. Из них наиболее распространенной является параметризация в двух плоскостях, показанная справа (ниже). Хотя эта параметризация не может представлять все лучи, например лучи, параллельные двум плоскостям, если плоскости параллельны друг другу, она имеет то преимущество, что она тесно связана с аналитической геометрией перспективного изображения. Действительно, простой способ представить двухплоскостное световое поле - это набор перспективных изображений ул плоскости (и любые объекты, которые могут находиться верхом или за ее пределами), каждый из которых взят с позиции наблюдателя на УФ самолет. Параметризованное таким образом световое поле иногда называют световая плита.

Некоторые альтернативные параметризации 4D светового поля, которое представляет поток света через пустую область трехмерного пространства. Слева: точки на плоскости или криволинейной поверхности и направления, выходящие из каждой точки. Центр: пары точек на поверхности сферы. Справа: пары точек на двух плоскостях в общем (то есть в любом) положении.

Звуковой аналог

Аналогом 4D светового поля для звука является звуковое поле или же волновое поле как в синтез волнового поля, а соответствующей параметризацией является интеграл Кирхгофа-Гельмгольца, который утверждает, что при отсутствии препятствий звуковое поле во времени определяется давлением на плоскость. Таким образом, это два измерения информации в любой момент времени, а с течением времени - трехмерное поле.

Эта двумерность, по сравнению с очевидной четырехмерностью света, объясняется тем, что свет распространяется лучами (0D в момент времени, 1D во времени), в то время как Принцип Гюйгенса – Френеля, звук фронт волны можно смоделировать как сферические волны (2D в определенный момент времени, 3D во времени): свет движется в одном направлении (2D информации), в то время как звук просто распространяется во всех направлениях. Однако свет, движущийся в непустой среде, может рассеиваться аналогичным образом, и необратимость или потеря информации при рассеянии заметна в очевидной потере размерности системы.

Способы создания световых полей

Световые поля - фундаментальное представление света. Таким образом, существует столько же способов создания световых полей, сколько компьютерных программ, способных создавать изображения, или инструментов, способных их фиксировать.

В компьютерной графике световые поля обычно создаются либо рендеринг а 3D модель или сфотографировав реальную сцену. В любом случае, чтобы получить световое поле, необходимо получить виды для большого набора точек обзора. В зависимости от используемой параметризации эта совокупность обычно будет охватывать некоторую часть линии, круга, плоскости, сферы или другой формы, хотя также возможны неструктурированные совокупности точек обзора (Buehler 2001).

Устройства для захвата световые поля фотографически может включать движущуюся ручную камеру или камеру с роботизированным управлением (Levoy 2002), дугу камер (как в время пули эффект, используемый в Матрица ), плотный массив камер (Kanade 1998; Yang 2002; Wilburn 2005), портативные камеры (Нг 2005; Георгиев 2006; Marwah 2013), микроскопы (Levoy 2006) или другая оптическая система (Bolles 1987).

Сколько изображений должно быть в светлом поле? Самое большое известное световое поле (из Статуя Микеланджело Ночи ) содержит 24 000 изображений с разрешением 1,3 мегапикселя. На более глубоком уровне ответ зависит от приложения. Для рендеринга светового поля (см. Раздел «Приложение» ниже), если вы хотите полностью обойти непрозрачный объект, то, конечно, вам нужно сфотографировать его обратную сторону. Менее очевидно, если вы хотите подойти близко к объекту, а объект лежит верхом на ул плоскости, то вам понадобятся изображения, снятые в мелко разнесенных местах на УФ плоскости (в параметризации с двумя плоскостями, показанной выше), которая теперь находится позади вас, и эти изображения должны иметь высокое пространственное разрешение.

Количество и расположение изображений в световом поле, а также разрешение каждого изображения вместе называются «выборкой» светового поля 4D. Анализ выборка светового поля были предприняты многими исследователями; хорошая отправная точка - Чай (2000). Также представляет интерес Дюран (2005) для эффектов окклюзии, Рамамурти (2006) для эффектов освещения и отражения и Нг (2005) и Zwicker (2006) для приложений к пленоптические камеры и 3D-дисплеи соответственно.

Приложения

Вычислительная визуализация относится к любому методу формирования изображения, в котором используется цифровой компьютер. Многие из этих методов работают на видимых длинах волн, и многие из них создают световые поля. В результате перечисление всех применений световых полей потребует обзора всех применений вычислительной визуализации в искусстве, науке, технике и медицине. В компьютерной графике некоторые избранные приложения:

Направленный вниз источник света (F-F ') создает световое поле, векторы освещенности которого изгибаются наружу. Используя вычисления, Гершун мог вычислить освещенность, падающую на точки (P1, П2) на поверхности. (Гершун, рис 24)
  • Светотехника: Причина, по которой Гершун изучал световое поле, заключалась в том, чтобы получить (если возможно, в замкнутой форме) схемы освещения, которые будут наблюдаться на поверхностях из-за источников света различной формы, расположенных над этой поверхностью. Пример показан справа. Более современное исследование (Ashdown 1993).
Раздел оптики, посвященный светотехнике, является не отображающая оптика (Чавес 2015; Уинстон 2005). Он широко использует концепцию линий потока (линии потока Гершуна) и векторного потока (световой вектор Гершуна). Однако световое поле (в данном случае положения и направления, определяющие световые лучи) обычно описывается в терминах фазовое пространство и Гамильтонова оптика.
  • Рендеринг светового поля: Извлекая соответствующие 2D-срезы из 4D светового поля сцены, можно создавать новые виды сцены (Levoy 1996; Gortler 1996). В зависимости от параметризации светового поля и срезов эти представления могут быть перспектива, орфографический, перекрестно-щелевой (Zomet 2003), общие линейные камеры (Yu and McMillan 2004), мульти-перспективный (Rademacher 1998) или другой тип проекции. Рендеринг светового поля - одна из форм рендеринг на основе изображений.
  • Синтетическая диафрагма фотография: Интегрируя соответствующее 4D подмножество образцов в световом поле, можно приблизиться к виду, который будет захвачен камерой с конечной (то есть без точечной) апертурой. Такой взгляд имеет конечное глубина резкости. Срезая или деформируя световое поле перед выполнением этой интеграции, можно сфокусироваться на различных фронтально-параллельных (Isaksen 2000) или наклонных (Vaish 2005) плоскостях сцены. Если цифровая камера смогла запечатлеть световое поле (Нг 2005), его фотографии можно было бы перефокусировать после того, как они были сделаны.
  • 3D-дисплей: Представляя световое поле с использованием технологии, которая отображает каждый образец на соответствующий луч в физическом пространстве, можно получить автостереоскопический визуальный эффект сродни просмотру исходной сцены. Нецифровые технологии для этого включают: интегральная фотография, параллакс-панорамы, и голография; Цифровые технологии включают размещение массива линз на экране дисплея с высоким разрешением или проецирование изображений на массив линз с использованием массива видеопроекторов. Если последний комбинировать с массивом видеокамер, можно захватывать и отображать изменяющееся во времени световое поле. По сути, это составляет 3D телевидение система (Джавиди 2002; Матусик 2004).
  • Визуализация мозга: Нейронную активность можно регистрировать оптически путем генетического кодирования нейронов обратимыми флуоресцентными маркерами, например GCaMP которые указывают на присутствие ионов кальция в реальном времени. С Микроскопия светового поля фиксирует полную объемную информацию в одном кадре, можно отслеживать нейронную активность во многих отдельных нейронах, случайно распределенных в большом объеме с частотой кадров видео (Grosenick, 2009, 2017; Perez, 2015). Количественное измерение нейронной активности может быть выполнено даже несмотря на оптические аберрации в ткани мозга и без восстановления объемного изображения (Pegard, 2016), и может быть использовано для мониторинга активности тысяч нейронов у здорового млекопитающего (Grosenick, 2017).

Генерация изображений и предварительное искажение синтетических изображений для голографических стереограмм - один из самых ранних примеров вычисленных световых полей, предвосхищающих и позже мотивирующих геометрию, используемую в работе Левоя и Ханрахана (Halle 1991, 1994).

Современные подходы к отображению светового поля исследуют совместные конструкции оптических элементов и сжатые вычисления для достижения более высокого разрешения, увеличения контрастности, более широких полей зрения и других преимуществ (Wetzstein 2012, 2011; Lanman 2011, 2010).

  • Уменьшение бликов: Блики возникает из-за многократного рассеяния света внутри корпуса камеры и оптики объектива и снижает контрастность изображения. Хотя блики были проанализированы в пространстве двухмерных изображений (Talvala 2007), полезно идентифицировать их как явление четырехмерного пространства лучей (Raskar 2008). Статистически анализируя пространство лучей внутри камеры, можно классифицировать и удалить артефакты бликов. В пространстве лучей блики ведут себя как высокочастотный шум и могут быть уменьшены путем подавления выбросов. Такой анализ может быть выполнен путем захвата светового поля внутри камеры, но это приводит к потере пространственного разрешения. Равномерная и неоднородная выборка лучей может использоваться для уменьшения бликов без значительного ухудшения разрешения изображения (Raskar 2008).

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Фарадей, Майкл (30 апреля 2009 г.). "LIV. Мысли о лучевых вибрациях". Философский журнал. Серия 3. 28 (188): 345–350. Дои:10.1080/14786444608645431. Архивировано из оригинал 18 февраля 2013 г.

Рекомендации

Теория

Анализ

Камеры светового поля

Отображение светового поля

Архивы светового поля

Приложения

объемы в мозге млекопитающих "] bioRxiv 132688; doi: https://doi.org/10.1101/132688.

  • Хайде, Ф., Ветцштейн, Г., Раскар, Р., Гейдрих, В. (2013)

184026/http://adaptiveimagesynthesis.com/ «Адаптивный синтез изображений для сжатых дисплеев»], Транзакции ACM для графики (SIGGRAPH)