摘 要

随着计算机图像图形领域的快速发展，光学系统成像与计算机成像技术相结合，极大的加快了光场成像技术的发展。光场成像技术利用现代计算机进行数据处理的优势，在克服了传统成像方式由于理论原理要求精确而产生实际应用上的局限的同时，也降低了利用传统成像方式获得的图片效果对于物理光学器件性能的要求和依赖。本文在对光场成像技术原理和算法研究的基础上，利用光场成像技术，针对现有光学软件中存在的只能对单个光学器件进行成像分析的问题，通过MATLAB编程，设计出一个含有主物镜、微透镜阵列等多个成像器件的理想光学系统，配合光线跟踪算法，通过对从成像平面发射出的随机光线进行跟踪，分析光线通过光学系统时在不同成像器件表面的成像方式，准确的模拟出光学系统的成像过程，从而为研究人员在光场相机的设计时提供更为可靠的仿真成像软件。

关键词：光场成像；微透镜阵列；光线追踪

Abstract

With the rapid development of the field of computer image graphics, the combination of optical system imaging and computer imaging technology has greatly accelerated the development of optical field imaging technology. The advantages of light field imaging technology in the use of modern computers for data processing overcome the limitations of traditional imaging methods due to the precise theoretical requirements and practical applications, while also reducing the picture effects obtained with traditional imaging methods for the performance of physical optical devices. The requirements and dependencies. This article uses optical imaging technology to address the limitations of existing optical software that can only perform imaging analysis on a single optical device. Through MATLAB programming, we design an ideal optical system containing multiple imaging devices such as a main objective lens and a microlens array. With the ray tracing algorithm, by tracking the random light emitted from the imaging plane, the imaging modes of the different imaging device surfaces when the light passes through the optical system are analyzed, and the imaging process of the optical system is accurately simulated. Thus, researchers provide more reliable simulation imaging software in the design of light field cameras.

Keywords：Light field imaging; Microlens array; Ray tracing

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1本文的研究背景及意义 1

1.2 光场成像技术的现状与发展 2

1.2.1 多相机光场采集技术 2

1.2.2 单相机光场采集技术 5

1.3 论文的主要研究内容 7

第2章 光场成像技术原理 9

2.1 光场的概念 9

2.2 四维光场的参数化 9

2.3 光场的获取 11

2.4 光场相机的原理 13

第3章 光线跟踪算法研究 16

3.1 光线跟踪简介 16

3.2 光线跟踪算法 18

3.3 光线与表面相交 19

第4章 光学仿真系统设计 24

4.1 光学系统仿真简介 24

4.2 光学系统的设定及算法 24

4.3 光学成像仿真系统 27

4.4 仿真系统的创新点 28

第5章 总结与展望 29

5.1 总结 29

5.2工作展望 29

参考文献 31

附录 32

致谢 39

第1章 绪论

1.1本文的研究背景及意义

我们所生活的这个世界是一个三维空间，然而，我们日常生活中所看到的图片大多是通过传统成像的方式记录三维世界的。在这种传统成像方式的记录下，我们常常会感受到所看到的图片与我们真实生活的世界并不完全相同，而形成这种不同的原因便是传统的成像方式往往只是记录了三维场景里的一部分信息。试想，对三维空间进行记录时，若只记录场景的一部分信息，这样对记录的信息进行三维场景重建时就无法得到具有强真实感的三维重建图片。

利用传统的成像的方法在拍摄记录一些以高速度运动的物体或者物体之间有较大的间距的时候，尤其容易产生散焦、失焦的情况。由于传统光学系统拍摄图片的景深与该光学系统的孔径大小相关，如果需要获得较大景深的图片，则需要减小光学系统成像的孔径，但这样做会造成图像的分辨率变低，以及图像的信噪比遭到一定的损失。与此同时，当需要获取不同程度的景深图片时，我们往往会进行机械调焦，这样往往会造成成像的时间差，使得成像的实时性得不到保障。另一方面，实际使用的光学器件与理想的光学器件有一定的差别，而传统的光学成像方式对于光学器件的依赖性较大，但光学器件的高精度加工通常比较困难，费时费力，当我们所使用的光学器件精度不高时，通过传统成像方式所形成的像将会产生较大的像差，从而影响成像质量。总体而言，传统的光学系统对光学器件物理性能的要求限制了传统光学成像方式的发展。因此，光场成像技术应运而生。在现代计算机的强大的数据处理能力的辅助下，我们可以将成像的过程看作对光辐射进行一系列如相位变换的数学计算的过程，我们可以通过积分变换的方式对光辐射进行处理从而得到最终的图像。在这个处理过程中，光线向不同的位置和方向辐射的场被我们称之为光场，而对光场的处理和计算的过程就是我们通常所说的光场成像。光场成像技术主要通过对光辐射的积分变换计算来获取所需的图像，这种计算更加准确，使我们可以打破传统成像方式由于物理器件精度问题对成像效果的限制。并且，在现代的计算机技术的帮助下，也可以对实际成像中所产生的像差等问题进行一定程度上的校正，提高成像精度。与此同时，现代的光学相机在设计过程中，为了降低研发成本，往往先对所设计的光学系统进行成像仿真实验，但是目前所通用的光学仿真软件往往只能对单个成像器件进行仿真，这样的方式无法直接得到我们所需的光场成像效果的准确信息。本文在对光场成像原理和光线跟踪算法研究的基础上，针对这一问题设计出了基于微透镜阵列的光场仿真系统，为设计光场相机提供一种更方便实用的仿真软件。

1.2 光场成像技术的现状与发展

光场成像技术与传统的成像技术主要的不同点在于传统的成像技术主要通过光学物理器件搭建光学系统，直接得到所需的图像，而光场成像技术则是通过利用计算机对所采集到的光场信息进行数据的处理分析后从而得到我们所需要的图像。因此，我们可以将光场成像分为两大部分，即光场信息的采集和光场信息的处理^[1]。目前，光场信息的采集主要分为两种方式，一种是多相机采集，即利用多个相机采集设备从不同的角度、方向对同一个目标或者物体进行成像，这样来获取该目标多个方向上的信息；另一种采集方式则是单相机采集方式，只通过一个相机进行采集，但是需要在采集相机前放置特定的光学调制元件，从而可以在二维的成像平面上得到四维光场的全部信息。

1.2.1 多相机光场采集技术

多相机采集技术主要是利用多个相机形成阵列从目标的多个角度、方向对目标进行不同角度上的信息采集^[2]。然而，在多相机阵列出现之前，曾有M.Levoy等人设计出了一套机械臂结构（图1.1），将相机安装到可移动的机械臂上，对目标物体进行多方向的信息采集。该机械臂拥有四个自由度，可以进行两个维度上的平移和两个维度的旋转动作，以此使得安装在机械臂上的相机可以得到目标物体的四维信息，即完整的光场信息。

在多相机阵列出现之前，除了利用M.Levoy等人设计的拥有四个自由度的机械臂搭载相机获取完整光场这一方式外，A.Isaksen等人也设计出了一种X-Y移动平台（图1.2），利用该平台搭载相机同样可以采集到光场信息，甚至通过处理该系统采集到的光场信息后可以对景深进行改变（图1.3）以及改变聚焦的位置（图1.4），若是相机在该X-Y平台上可以获得足够大的移动范围即取得足够大的合成孔径，则可以获得穿过遮挡物的成像图像。

上述的两种方式都存在着一个同样的问题，由于其方式的根本还是利用相机的运动去采集物体的光场信息，这样的采集方式对于静态的物体并没有太大的影响，但若是物体处于运动过程中，则这样的采集方式会造成采集的时间不同，而对图像产生影响。因此在2002年，J.C.Yang设计出了一种利用8*8 的相机阵列对目标进行光场采集，该方式将每个相机固定到了一个可以移动的单元中，同时每个相机也可以自行进行旋转移动。

图1.1 M.Levoy等人设计的机械臂

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