Light Filedとは

LightField(ライトフィールド)とは

3次元空間中を進行する光線は,始点と進行方向ベクトルのそれぞれ3成分を有するため,計6自由度である.
これを,カメラレンズを通して撮影することを考えたとき,受光系の光軸を1つ決定すれば,この光軸に対する位置2成分および角度2成分の,計4成分となる.
また,簡略化して2次元とすると,光軸からの距離と光軸となす角度の2成分となる. 4次元光線場と呼ばれる場合があるが,4成分と解すればわかりやすい.

ここでは慣例に従い,位置$q$,角度$p$であらわす.
(工学の専門家には,位置を $x, y$,角度を $\theta, \phi$ で表した方が直感的にわかり易いかもしれない.

2Dray.png 4Dray.png
ライトフィールドの概念図.光線は,2次元では $(p,q)$ の2成分,3次元では $(p_1, p_2, q_1, q_2)$ の4成分であらわされる.

ライトフィールドカメラ

光線場を記録可能なカメラを,「ライトフィールドカメラ」と呼ぶ.
画像記録媒体であるフィルム(古!)やCCDセンサ,CMOSセンサでは,画素に到達した光線の電界強度の二乗すなわち輝度が記録され,これは空間2次元の関数である. この際,画素に入射した光線の角度情報は失われる.すなわち,センサ面に対して垂直にまっすぐ入射した光と,斜めにセンサに入射した光は区別ができない.
これに対して,ライトフィールドカメラでは,この光線の角度情報を記録する. 現状,センサ素子の特性としてこの光線の入射角を記録可能なものは存在しないため,光線場の記録には何らかの工夫が必要である.

実は,単純なピンボケ画像は光線の入射角度を記録することができる.
したがって,ライトフィールド撮影では,広義ではデフォーカスでもOKとなる. 狭義では,何らかの方法で交戦場の角度情報を記録可能としたカメラを指し,特に近年のマイクロレンズアレイをセンサ近傍に装着したものを指すことが多い.

convopt
通常の撮影光学系.センサ位置に光線が集まる.この際,主レンズにどの角度で入射した光線か(赤と青)は識別できない.
lfopt
Plenopticカメラの撮影光学系.通常センサが在る位置にマイクロレンズがある. 主レンズのどの位置を通過したか,即ち主レンズに異なる角度で入射した光線(赤と青)が異なるセンサに到達するので,識別が可能.

光学配置の違い

pleno1
Plenoptic 1.0光学系

pleno2-Galilean    pleno2-Kepler
Plenoptic 2.0光学系.ガリレオ式配置(左)およびケプラー式配置(右)が可能である.

光線追跡

raytrace

単純な光線追跡の計算.物体から射出された光線は,進行と屈折を繰り返してセンサに到達する.

spots
光線の射出点.空間の異なる2点から発せられた光線

ray-pleno1
Plenoptic1.0 での光線追跡結果.マイクロレンズの効果により,まったく同じセンサ位置に光線が到達する.

ray-pleno2
Plenoptic2.0 での光線追跡結果.複数のマイクロレンズに入射し,かつ,2点が別の位置に集光する.