文 献 综 述

一、研究背景及意义

图像是人类从世界中获取信息的主要途径，随着相机的产生，人类对图像的理解与应用得到了极大的提升。目前图像处理算法已经发展成为当今多领域融合的综合学科。然而，目前处理的图像大多数仍然局限于二维图像，而如图二维图像在当今诸如智能制造，监控安防等领域都有着诸多限制，难以适用。相比于二维图像，三维图像有着其难以比拟的优势，通过三维深度信息中的深度信息，可以实现诸如图像分割，形貌扫描，距离估计等一系列应用中技术突破。在如今三维成像领域，如何获取高质量的三维图像（深度信息）则是急需突破的难题。

光场成像如今成为计算机领域中一个热门研究领域。相比于传统二维图像，光场不仅仅记录光线的空间强度信息，还保留了光线的角度信息。相机阵列与光场相机是目前获取光场的主要设备，通过编码孔径或者掩膜技术也能获取光场。得益于光场的角度信息，可以实现如绕过障碍物成像，先拍照后聚焦，合成高动态高精度图像，制作高速视频甚至是估计深度等应用。

2011年，美国Lytro公司推出了首款光场相机[1]，该相机在主透镜和传感器之间插入了一个微透镜组，捕捉每个像素上来自不同角度的光线，获取场景中光线的位置和方向信息，将二维图像扩展到四维[2-3]。它允许用户先拍照再通过后续的计算处理进行包括数字重聚焦，深度估计在内的多种操作，可以说是摄影成像领域的革命性产品。

二、国内外研究现状

关于光场成像的研究最早可以追溯到1903年，Ives发明的针孔成像技术率先通过在主透镜像面上放置针孔面阵列，使光照辐射重新分布，避免角度信息的丢失。1908年，法国科学家李普曼（M.G. Lippman）发明了集成照相技术[4]，他提出将一个微透镜阵列放置在一个胶片面前，使物体成像后，将胶片制成透明照片，再从后方照射胶片，形成三维图像，这被认为是理想的三维系统，后来被运用于三维全息成像领域[5]。1948年，

Gabor利用两束相干光相干，记录了物体未衍射聚焦前的波，获得了第一张全息图，其

中包含了位置和方向信息的光照辐射分布，从一定程度上说是一张光场图像。1992年，Adelson运用光场理论并成功提出全光场理论。1996年，Levoy提出光场渲染理论。光场理论至此相对成熟[6]。

随着各种理论的提出和计算机技术、微透镜制作工艺的快速发展，2006年，马来西亚华人科学家黄逸人（Ng Yi Ren）根据斯坦福大学的多相机系统，结合前人观点，阐述了光场相机的技术原理并开发了相应的软件算法。他提出将微透镜阵列胶片放置在相机中的透镜组和传感器之间，以接受各方向的光束信息，通过计算机处理对图像进行重组和调整，达到先照相后聚焦的效果[7]。2011年，在Ng的工作基础上Lytro公司发售了世界首款消费级光场相机。

基于光场的深度估计最早由Bolles [8]等人提出，在他们的文章极线图（EPI）这一利用对应点信息的重要的概念被首次提出。在此基础上，Criminisi [9]等人通过管状EPI提升了三维图像重构精度，并且去除了高反射区域影响。除此之外，Bishop [10]等人通过最小能量函数对初步获取的深度图像进行优化，同样获取了高密度的三维数据。Yu [11]则通过几何约束来提高三维成像精度。目前，大多数基于EPI的深度估计（三维成像）方法需要全局最优化函数迭代，这在处理计算量较大的高分辨图像时是难以接受的。除此之外，误差扩散也是此类方法难以避免的内在问题。