Light Field Imaging

2016.4
東京工業大学 大学院理工学研究科
機械制御システム専攻
川口達也

1.jpg 2.jpg 3.jpg 4.jpg


ライトフィールドとは

カメラレンズに入射してくる光線は,カメラの光軸を決めることで,それを法線に持つ面内を通過する位置(q1, q2)と,光線と光軸のなす角(p1, p2)の,計4成分で表される.(本当はx,y,θ12,としたいが,慣例でこの記号が使われているのでそれに従う.) 4Dライトフィールドの「4D」とは,この4成分のことをさす.
p,qは光軸上の座標zの関数である. 光線は時間進行とともに空間を伝搬し,レンズなどの屈折率の異なる界面で屈折され,また,ミラーなどの反射体により進行方向を変え,最終的にはCCDやCMOSセンサー上で露光される. このとき,光線の進行方向に関する情報(p1, p2)は失われる. なぜならば,通常のフィルムやセンサーは光線がどの方向から飛んできたかを記録できないから.


ライトフィールドカメラとは

別名,plenoptic camera,集積カメラ.とも呼ばれ,光線がどの方向から飛んできたかの情報を記録できるカメラのことである.広い意味では,ステレオカメラやカメラアレイ(何台ものカメラ+レンズを並べたもの),または主レンズ先頭にプリズムなどをアタッチしたカメラもライトフィールドカメラと言えなくもないが,ここでは「センサ直前にマイクロレンズアレイがついたもの」を,特にライトフィールドカメラと言う.


ライトフィールド撮影の歴史

100年以上前のリップマンカメラが元祖と言われている.ノーベル賞学者で,キュリー夫人の指導者でもあったリップマンが提案している.

論文に出てくるような気合の多眼カメラを見ると圧倒される...

ライトフィールドカメラの原理

マイクロレンズを使用するものの原理を説明する.光学配置の相違でPlenoptic 1.0 と Plenoptic 2.0 があるが,撮影体の移動によりPlenoptic2.0が1.0と等価になる条件がある.
今,撮影する物体が画面の左方にあるとして,主レンズからセンサーまでの光学配置を比べてみる.

pleno1

Plenoptic 1.0 光学配置のカメラ.
異なる角度からの画像を合成したい場合に向いている.角度分解能が高い.物体側の1点から射出された光線を(マイクロレンズ直径/センサーサイズ)2に分けて露光している.例えばマイクロレンズ径が0.1mm,センサーサイズが0.01mmとすると,最大で角度方向に10x10分割できる. Plenoptic1.0の弱点は,焦点はずれにより,共役関係が崩れることであり,奥行き方向に深い撮影に向いていない.

pleno2

Plenoptic 2.0 光学配置(Keplerian telescopic)の場合.
(これとは逆のGalilean telescopic配置も考えられる)
 主レンズの像側焦点面の仮想画像を,マイクロレンズで複眼的に(=トンボなどの昆虫の目のように)撮影する.Plenoptic1.0に比べて角度分解能は低下するものの,空間分解能が高く,粒子画像の撮影に適している. この図の例では,ある位置を上から見下ろす角度と下から見上げる角度に2分割しかできないが,空間の異なる位置にある2物体の識別能力(=空間分解能)は高い.
一般に角度分解能と空間分解能はトレードオフの関係にあり,Plenoptic2.0では,マイクロレンズと主レンズのf値(またはN.A.)をうまく組み合わせることによって,分解能を自由に設定できる点が優れている.

ライトフィールドカメラでできること

ライトフィールドカメラの重要な機能は,「瞬時の凍結画像」から,焦点位置を「事後的に」変化させられること,低fナンバー(=高N.A.)での高深度撮影(通常カメラでは,低fナンバー=浅い被写界深度)が可能であることです.


1.jpg 4.jpg
一番奥にピントが合った状態  一番手前にピントが合った状態


元画像の一部(ブラウザで表示するには大きすぎるので,一部のみ)
上記のリフォーカス画像は,すべてこれ一枚から合成しています.
0.png


ライトフィールドカメラの応用

ライトフィールドカメラを用いたPIV(particle image velocimetry)

準備中...乞うご期待

参考文献

編集中...

Valid CSS! Valid XHTML 1.0 Transitional