Entendiendo la fotografía de campo de luz - 💡 Fix My Ideas

Entendiendo la fotografía de campo de luz

Entendiendo la fotografía de campo de luz


Autor: Ethan Holmes, 2019

Imagen de campo de luz dinámica. Haga clic para volver a enfocar. Haga clic / arrastre para cambiar la perspectiva.

Las cámaras tradicionales, ya sean digitales o analógicas, capturan una escena desde un único punto de vista. Photoshop (y programas similares) nos permiten hacer cosas increíbles con estas imágenes, pero ninguna cantidad de procesamiento posterior puede aumentar la información codificada por el dispositivo original. Una forma obvia de hacerlo es aumentar el tamaño del sensor de imagen y, de hecho, a medida que la fotografía digital ha avanzado, hemos visto una progresión constante hacia sensores cada vez más grandes por esta razón bastante obvia.

De hecho, el tamaño alcanzable de los sensores de imagen CMOS ahora excede en gran medida las necesidades de casi todas las aplicaciones prácticas, y como explicaremos más adelante, este "excedente" de píxeles de sensor es uno de los avances clave que abren el camino para la implementación generalizada de "luz". campo "(o" plenóptica ") imágenes. La gran promesa de este nuevo tipo de fotografía es la capacidad de capturar no solo más información sobre una escena, sino más tipos de informacion. El acceso a estos nuevos "tipos de datos" abre una serie de opciones de posprocesamiento de software que son imposibles con las cámaras tradicionales, opciones como reenfoque dinámico, cambio de perspectiva e incluso escaneo 3D.

Cómo funciona

El campo de luz es representativo de todos los rayos que entran en la cámara, no solo de aquellos que están enfocados en la película o el sensor. En una cámara convencional, los rayos de luz de una escena son enfocados por la lente en la película o el sensor. En una fotografía digital, cada píxel tiene un valor numérico que indica el brillo, que a su vez representa La suma de todos los rayos de luz de todas las partes de la escena. Enfocado, por la lente, en esa parte del sensor. Sin embargo, en una cámara de campo de luz, los diversos rayos que componen cada píxel no se suman, sino que se miden y registran por separado, tanto en términos de brillo como en las direcciones desde donde se originan.

Hardware

El campo de luz es en realidad una abstracción matemática que tiene aplicaciones en campos que van desde la física a la visión artificial hasta los gráficos por computadora. Los dispositivos que capturan alguna parte del campo de luz existen en muchas formas. El Lytro captura el campo de luz dirigiendo los rayos de luz que ingresan a la lente principal en un conjunto de más de cien mil lentes micro. Las micro lentes a su vez dirigen los rayos de luz a un sensor CMOS de 6.5 x 4.5 mm con la capacidad de capturar once millones de rayos de luz dispuestos en una cuadrícula de 3280 por 3280. La información almacenada incluye color, intensidad, dirección y distancia. Cada micro lente utiliza una porción de aproximadamente 10 × 10 píxeles del sensor CMOS.

El campo de luz del consumidor de Lytro ha existido durante un par de años y la característica que la mayoría de la gente parece hablar es la capacidad de corregir o cambiar el punto focal de una imagen después de que se haya tomado. Pero esa no es toda la historia; de hecho, es sólo la punta del iceberg.

La imagen de arriba muestra los rayos de luz de la derecha que entran a la cámara y son dirigidos al sensor CMOS por la matriz de micro lentes.

El software

Capturar el campo de luz es solo el primer paso. El siguiente paso es generar una imagen que se pueda ver. Esto se ha descrito como "trazado de rayos en sentido inverso". Para explicar lo que esto significa, voy a describir cómo funcionan las cámaras estenopeicas, recorrer brevemente el trazado de rayos y, finalmente, explicar el proceso de renderizado de Lytro. Los tres tienen dos cosas en común. Primero, hay un observador que ve la escena y, segundo, la escena debe representarse de alguna manera en una pantalla.

En una cámara estenopeica, los rayos de luz pasan a través de un agujero en la parte frontal de la cámara y aparecen en la superficie opuesta como una imagen que está al revés e invertida. La pared posterior es esencialmente una pantalla.Si estuvieras dentro de la cámara de espaldas a la lente agujereada, verías la imagen proyectada frente a ti. (Se supone que el "objeto de escena" es un cactus. Sin embargo, puede ser cualquier cosa. Idealmente, todos los diagramas serían desde una perspectiva pseudo 3D, pero eso está más allá de mis habilidades de dibujo).

En el trazado de rayos, una escena se describe matemáticamente utilizando formas geométricas, texturas y fuentes de luz. Se selecciona un punto fuera de la escena que representa la posición del observador y se genera una imagen desde la perspectiva de ese observador. El trazado de rayos difiere del ejemplo de cámara con orificios de tres maneras. Primero, la escena no existe en el mundo real y debe ser representada. En segundo lugar, la escena "real" está delante del observador en lugar de detrás, y finalmente, dado que la escena es virtual, la imagen en la pantalla debe representarse. Esto se hace píxel a píxel. Los rayos de "vista" se emiten en la escena para cada píxel y el color del píxel se calcula en función de los objetos y las fuentes de luz que recibe cada rayo de visión mientras atraviesa la escena. Enviar rayos de vista desde el observador reduce enormemente el tiempo de renderizado.

En el caso del Lytro, tenemos los rayos de luz almacenados que describen la escena capturada cuando se tomó la fotografía. Para proyectar una imagen en nuestra pantalla se debe elegir un punto focal. Dado el punto focal seleccionado, el software Lytro usa los rayos de luz almacenados para renderizar la imagen. Este es el trazado de rayos en sentido inverso, ya que los rayos proyectados en la pantalla para generar una imagen tienen su punto de origen dentro de la escena en lugar de haber sido proyectados desde el observador y a través de la pantalla hacia la escena.

Para revisar, en el trazado de rayos, la escena se procesa disparando los rayos de la vista desde el observador y a través de la pantalla, mientras que con el Lytro la escena se renderiza disparando los rayos de luz capturados en la escena de nuevo en la pantalla.

El futuro

Una adición reciente al software Lytro Library es la capacidad de crear imágenes en 3D. Esta habilidad demuestra otra ventaja de capturar el campo de luz. El desplazamiento hacia la izquierda o hacia la derecha, hacia arriba o hacia abajo dentro de la cámara le dará una vista o perspectiva ligeramente diferente. Los datos necesarios para representar esas transiciones forman parte del campo de luz capturado y se pueden utilizar para generar representaciones en 3D de la escena capturada. Un par de gafas Anaglyph económicas es todo lo que necesita. Es fácil exportar las imágenes como archivos JPG para que puedan ser vistos por cualquier persona con gafas anaglifas.

Una desventaja de la cámara Lytro es la falta de una API publicada para la manipulación de imágenes. Lytro utiliza un formato de imagen patentado y si bien se ha trabajado mucho para realizar ingeniería inversa y crear software para manipular imágenes mientras escribo esto, no hay una API multiplataforma o software completo disponible para trabajar con LFP (archivos de "imagen de campo claro") ). El mejor recurso que he encontrado es "Lytro Meltdown", que tiende a centrarse en Windows pero contiene mucha información útil.

La fotografía de campo de luz está todavía en su infancia. Los precios fueron inicialmente altos y los resultados decepcionantes, pero las cosas están empezando a cambiar en ambos frentes. La cámara Lytro base de 8 GB con frecuencia ha estado a la venta por $ 200 a $ 300 recientemente, y se están agregando nuevas capacidades tanto al firmware de la cámara como al software de administración de fotos Lytro Library de forma regular.

Lo que más me gustaría ver es una completa biblioteca de código abierto multiplataforma que se puede usar para manipular y administrar archivos LFP. El santo grial sería un software capaz de tomar un archivo Lytro en bruto y renderizar imágenes.



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