Co to jest fotografia pola świetlnego i jak działa?

Fotografia w lekkim polu jest znana od dawna. Pierwsze analogowe urządzenie pola świetlnego zostało wynalezione w 1908 roku przez Gabriela Lippmanna, który ostatecznie zdobył Nagrodę Nobla za pracę nad fotografią kolorową.

Fotografia pola świetlnego umożliwia przesuwanie płaszczyzny ostrości obrazu po wykonaniu zdjęcia, co jest niemożliwe w przypadku normalnej fotografii.

Jak więc działa fotografia w lekkim polu? Z tego artykułu dowiesz się wszystkiego, co musisz wiedzieć.

Co to jest fotografia pola świetlnego?

Normalna fotografia działa bardzo podobnie do ludzkiego oka. Ustawiasz ostrość za pomocą aparatu, a czujnik rejestruje dwuwymiarowy obraz trójwymiarowej przestrzeni, z wyostrzonym „kawałkiem” tej przestrzeni. Wszystko przed lub za obszarem ostrości jest rozmyte i nieostre. Dzieje się tak, ponieważ normalny czujnik rejestruje informacje tylko o natężeniu światła.

Pole światła odnosi się do całości wszystkich promieni światła (każdego fotonu) w scenie. Promienie światła tworzące pole świetlne są określone przez funkcję plenooptyczną (stąd kamery pola świetlnego nazywane są również kamerami plenooptycznymi). Funkcja plenooptyczna opisuje promień świetlny w pięciu wymiarach: jego współrzędne w przestrzeni 3D (X, Y, `) oraz jego kierunek w przestrzeni 2D (dwa kąty).

Fotografia pola świetlnego rejestruje informacje z pola świetlnego w określonej scenie, w tym zarówno intensywność światła, jak i kierunek promieni świetlnych (zgodnie z funkcją plenooptyczną).

Fotografia pola świetlnego bardzo różni się od fotografii konwencjonalnej. Pozwala uchwycić trójwymiarowy obraz i wybrać miejsce, w którym zostanie ustawiona ostrość po fakcie. Używając wielu czujników, można uchwycić zarówno wpadające światło, jak i kierunek promieni świetlnych.

Jak działa fotografia w lekkim polu?

Informacje w kamerach pola świetlnego obejmują intensywność, kolor i kierunek światła. Z tego powodu możliwe jest matematyczne określenie, skąd pochodził każdy promień światła, zanim dotarł do czujnika. Oznacza to, że można zbudować trójwymiarowy model sceny.

Istnieje kilka technik rejestrowania pola świetlnego, na przykład:

• Używanie jednej kamery do rejestrowania informacji o scenie pod różnymi kątami. Ta metoda tworzy wybór wielu obrazów.
• Macierze z wieloma kamerami. Zazwyczaj są one wyposażone w dziesiątki czujników w szerokiej gamie, z których każdy rejestruje informacje o scenie pod nieco innym kątem. Ta metoda generuje również wiele obrazów jednocześnie.
• Macierze mikrosoczewkowe. Posiadanie szeregu setek mikrosoczewek przed pojedynczym czujnikiem aparatu cyfrowego umożliwia przechwytywanie informacji o polu świetlnym. Tworzy to obraz składający się z setek podobrazów.

Każdy obraz lub obraz podrzędny różni się przechwytywaniem promieni świetlnych pochodzących z nieco innych miejsc w przestrzeni. Ponieważ każdy piksel będzie zatem przedstawiał nieco inną scenę, rejestrowana jest informacja o kącie padania promienia światła. Umożliwia to obliczenie odległości każdego obiektu od kamery i pozycji w scenie, a ostatecznie opracowanie modelu 3D sceny.

Zastosowania fotografii w lekkim polu

Istnieją różne zastosowania fotografii w lekkim polu, które mogą być niezwykle przydatne. Ponieważ rejestrowane są wszystkie informacje o polu świetlnym sceny, możliwe jest przetwarzanie obrazów pola świetlnego na wiele sposobów, które nie są możliwe w normalnej fotografii.

1. Niestandardowy punkt centralny

Najbardziej znaną cechą fotografii w jasnym polu jest możliwość zmiany punktu ostrości po wykonaniu zdjęcia. Dzieje się tak, ponieważ informacje przechwytywane przez aparat obejmują ostrość z każdej odległości, co oznacza, że ​​dzięki zaawansowanemu oprogramowaniu możliwe jest wybranie dowolnej odległości jako punktu ogniskowego sceny.

2. Zmienna głębia ostrości

Ze względu na charakter rejestrowanych informacji możliwa jest obróbka obrazów z „syntetyczną aperturą”. Przysłona to średnica otworu w obiektywie i określa głębię ostrości (jak nieostry jest pierwszy plan i tło) na obrazie.

Ponieważ obraz w jasnym polu zawiera informacje przy każdej możliwej odległości ogniskowania, możliwe jest tworzenie obrazów o najmniejszej możliwej głębi ostrości (ostry jest tylko bardzo mały fragment). Możliwe jest również stworzenie obrazu o nieskończonej głębi ostrości, w którym wszystko na obrazie jest ostre.

3. Efekt paralaksy

W zależności od sposobu uchwycenia pola świetlnego możliwe jest uzyskanie nieco innych kątów widzenia sceny. Zależy to od średnicy lub szerokości systemu użytego do wykonania zdjęcia. Im szerszy system soczewek, tym więcej światła jest rejestrowane pod szerszymi kątami.

Po zrobieniu zdjęcia można nieznacznie zmienić perspektywę obrazu, tak jakbyś poruszał głową w rzeczywistej scenie. Jest to znane jako efekt paralaksy. Wykorzystując efekt paralaksy, możliwa jest również rekonstrukcja obrazu 3D.

4. Oblicz odległości

W zależności od czułości systemu fotografii pola świetlnego i tego, jak dobrze znane są jego właściwości optyczne, możliwe jest obliczenie odległości obiektywu od obiektów w scenie. Jednym z głównych zastosowań tego byłoby mikroskopia, w której przydatny jest dokładny pomiar wielkości próbek syntetycznych lub biologicznych.

5. Zmień warunki oświetlenia

Ponieważ tak wiele informacji o głębi sceny jest zapisywanych w fotografii w jasnym polu, oprogramowanie do przetwarzania końcowego umożliwia dokładną rekonstrukcję oświetlenia w scenie. Ponieważ oprogramowanie zna względne położenie wszystkich obiektów na obrazie, może w przekonujący sposób obliczyć, gdzie padłyby cienie.

6. Rzeczywistość wirtualna

Na początku lat 20. XXI wieku wirtualna rzeczywistość stała się bardziej znaczącym tematem rozmów. Było to częściowo napędzane chęcią Meta do stworzenia Metaverse. Fotografię pola świetlnego można wykorzystać do stworzenia rzeczywistej rzeczywistości wirtualnej; Google opracował przykłady tego, które można obejrzeć na Steamie .

Korzystając z obrotowej matrycy 16 kamer GoPro, Google wykonał tysiące zdjęć, które zarejestrowały wszystkie informacje o polu świetlnym w przestrzeni 3D. Byli wtedy w stanie stworzyć trójwymiarową rzeczywistość wirtualną o sześciu stopniach swobody.

Czy aparaty typu Light Field to przyszłość fotografii?

W 2012 roku firma Lytro wypuściła pierwszą na rynek konsumencki lekką kamerę polową. Ten aparat miał rozdzielczość jednego megapiksela ze stałą przysłoną f/2 i był sprzedawany za od 400 do 500 dolarów. Od tego czasu na rynek trafiło bardzo niewiele kamer polowych skierowanych do konsumentów.

Brak rozdzielczości i jakości obrazu oznaczał, że kamery z lekkim polem po prostu nie odniosły sukcesu na rynku konsumenckim, tak jak lustrzanki cyfrowe. W rzeczywistości wiele zastosowań technologii pola świetlnego pozostaje w fazie rozwoju.

Ale jest powód, dla którego Google (i Apple) inwestują w tę technologię, a jej wykorzystanie do tworzenia doświadczeń użytkowników 3D dla VR to tylko jeden z przykładów!

Fotografia pola świetlnego: rozwijająca się technologia

Chociaż kamery pola świetlnego są stosunkowo nowe, mają ogromny potencjał. Możesz narysować wiele podobieństw do początków fotografii, mimo że są one inne — przykładami są stałe przysłony i niska rozdzielczość. Jednak z biegiem czasu prawdopodobnie ta technologia będzie się rozwijać.

Warto mieć oko, aby zobaczyć, jak fotografia pola światła zostanie zastosowana w przyszłości.