光学 040 · 成像、仪器与视觉系统

光场相机与显示器

缓存的四维光线数据驱动真正的移位平均重对焦、已记录视点重放和子孔径拼图。不透光目标、真实开孔与固定采样预算，让遮挡、反深度视差及空间—角度交换直接可见。

对焦／近景深度／重放孔径

D,Z_n,u_{\mathrm{view}}

$0.50$

角度视图／空间采样／未用预算

N_{uv},N_{xy},N_{\mathrm{unused}}

$50\%$

几何点支撑跨度与孔径跨度

b_n,b_f,B_{\mathrm{span}}

$0.00\pi$

模型适用区间 $\text{模型适用}$

理想点孔径采集与几何重采样，不是商用全光相机或柱状透镜显示器。调焦后不重新追迹，也不暗加模糊滤镜；未模拟衍射、有限瞳孔积分或光子噪声。重排拼图不是原始微透镜照片。

物理教程

审查光场相机与显示器的物理过程

背景普通照片把来自不同孔径位置的光合并；光场则同时保留位置与方向： $L=L(u,v,q_x,q_y)$ 。前两个坐标定位点孔径，后两个是朝向场景的光线斜率；每个孔径记录完整视图。三维装置是理想平行相机采样构造，不是字面意义上的微透镜相机。

为什么值得理解同一份采集光线能否让前后景分别清晰，记录角度又会牺牲多少细节？

先抓重点

核心问题: 同一份采集光线能否让前后景分别清晰，记录角度又会牺牲多少细节？
一句话直觉: 重对焦先移位已记录视图，让在所选深度相交的光线对齐，再平均线性辐亮度： $I_D(s,t)=\frac{1}{N^2}\sum_{i,j}L\!\left(u_i,v_j,s-\frac{u_i}{D},t-\frac{v_j}{D}\right)$ 。调节这一控制时不采集新场景光线。除非孔径跨度消失，一次移位不能让前后景同时清晰。右侧重放的是一个已记录点孔径视图，本身没有光学离焦。

x(Z)=u+q_x Z,\quad y(Z)=v+q_y Z,\quad q_x=\frac{X-u}{Z},\quad \Delta q_x=-\frac{\Delta u}{Z}

孔径轴向深度为零，朝向场景取正物深。最近交点判断先遇青色目标，再遇金色目标。青色暗标记不透光，而圆孔允许光线到达远景。近点随孔径平移移动得更多。旋转总览不等于选择已记录视点。

s=\frac{X}{Z}+u\!\left(\frac{1}{D}-\frac{1}{Z}\right),\quad \Delta s=B_{\mathrm{span}}\left|\frac{1}{Z}-\frac{1}{D}\right|,\quad b=\frac{W\Delta s}{0.64}

物深与对焦深度相等时，依赖孔径位置的项为零；其他深度的离散贡献在输出中分散。读数把未受遮挡点的支撑跨度换算为像素，不含双线性插值宽度、裁切与遮挡，因此不是测得的图像 PSF。稀疏孔径可形成独立重影，而非平滑模糊。单视点或零基线不会有随深度改变的重对焦效果。

W=\left\lfloor\frac{360}{N}\right\rfloor,\quad N_{uv}=N^2,\quad N_{xy}=W^2,\quad N_{\mathrm{used}}=(NW)^2\le360^2

每轴孔径视点越多，每个视点能采集的空间像素就越少。不能整除时会留下少量未用边缘预算，读数明确列出。输出用同一空间网格、较窄且固定的角域裁切；放大显示不会创造细节。拼图重排的是完整子孔径视图；原始全光小图则在每个空间微透镜下聚集各角度，两类图不能混淆。

u_i=B\!\left(\frac{i+1/2}{N}-\frac12\right),\quad B_{\mathrm{span}}=B\frac{N-1}{N},\quad |q_x|,|q_y|\le0.65,\quad |s|,|t|\le0.32

方形孔径按单元中心采样；视点选择吸附到已记录列，偶数网格用偏下中央行。调焦先在线性 RGB 中双线性重采样，再对全部孔径等权平均，最后固定编码为 sRGB。不逐图增强对比度，也不任意添加模糊核。这一归一化辐亮度构造不预测曝光、孔径面积通量、噪声或非近轴照度。

容易误解拍摄后调焦应该恢复完整分辨率，还能透过任意前景物体。

正确理解重对焦只是重新组织已记录光线。被遮挡远点只会通过真正看得到它的孔径贡献数据；完全隐藏点无法恢复。平均可能弱化前景遮挡，却不会把不透光材料变透明。更多角度采样会消耗固定空间预算。

01
场景 1：对焦近景
比较近景与远景预设；观察清晰青色标记换成清晰金色圆环，已记录视点卡与采集数据却不改变。
应该观察到： 1996 年论文提供位置—方向光场表示；2005 年论文推导子孔径移位求和重对焦。这里采用明示的物方斜率坐标，不直接照搬其像方深度参数。
02
场景 2：重对焦远景
重放左右视点，追踪真实开孔与随深度改变的视差；再将采集孔径边长归零，观察两种效应消失。
应该观察到： 只有孔径尺寸、角度数或近景深度变化会重新采集。调焦和视点重放变换储存的样本；固定取景保证可比。
03
场景 3：密集角度，更少空间采样
比较每轴一、三、九个视点；稀疏离焦重影与密集角度下粗大空间像素是不同缺陷。移动近景，再对焦到其新深度。
应该观察到： 显示部分在普通屏幕上重放角度数据，不是柱状透镜光学显示器、微透镜处方模拟或实验相机验证。衍射与有限瞳孔积分不在模型范围内。