光场成像与显示技术的进展与应用

光场成像与显示技术的引入，显著提高了图像的三维视觉体验，尤其是在显微镜和计算机视觉领域。技术进步和多光学相机的商业化，使得光场数据的捕获变得可能，且在手机等小型设备中实现。光场包含的数据量远超传统二维图像，因此，选择合适的成像设备、传输和存储大量相关数据变得至关重要。

目前，成像设备可以计算光场的二维投影，但完整光场的获取涉及多个技术与挑战。通过从不同角度和坐标捕获图像，可以获得光场的“切片”，用于场景重建。生成额外“切片”和从新视角显示场景，实质上是对原始信息进行编码。获取多个低分辨率图像相比高分辨率相机更为成本效益，类似趋势在计算机处理器领域也有体现。

捕获光场主要技术包括移动摄像机捕捉静态场景图像、线性静止摄像机阵列、高速摄像机的模拟移动、相机阵列成像等。分布式光场相机（DLFCs）在2002年研发，通过8×8摄像头阵列获取大量数据，随后在2004年诞生的可重构阵列，通过移动性提高插值视图质量。相机阵列成像中，数据传输、存储和处理的复杂性增加，因此，研究方向集中在开发新的压缩算法。例如，利用JPEG压缩和纠错码，减少传输的数据量，实现高数据带宽的管理。

为了表示光场，需要校准相机的几何形状和颜色，全度量校准通常用于广义阵列。在平面阵列上，执行简单校准技术来估计相机位置，可获得更好结果。通过视差现象，可以调整和补偿图像中的不一致性，如颜色变化和衰减。校准曝光可增加或减小图像中的亮度特征，生成高动态范围图像，提高图像外观的控制效果。

计算图像拼贴技术提供了更全面的场景视图，通过自动匹配图像中的共同特征，实现旋转、平移和缩放的自动化。灵活的相机阵列允许在几分钟内组装新配置，生成不同视角的图像。斑纹摄影（Dappled Photography）利用非聚焦光线衰减的图案来编码高分辨率2D图像和低分辨率4D图像，调制定理解释了其工作原理。

在光场显微镜中，通过透镜阵列产生多个视角，实现增加视场和降低空间分辨率。这种设置允许在一次捕获中生成层析图像，使用三维反卷积算法解决焦点堆栈中的图像处理问题。常规显微镜与光场显微镜相比，具有正交投影、有限景深和静态场景假设的缺点。光场显微镜解决了这些问题，通过改变物体视角和生成三维切片，实现更高质量的图像和更高分辨率。

光场显示技术面临的挑战包括低光输出、降低角度分辨率和视图之间的干扰。传统3D显示器通过压缩表示来解决低空间分辨率和低光输出的问题，通过动态调整液晶显示器的模式，实现更多像素的显示，提高分辨率和亮度。分层3D显示方法使用多个液晶显示器堆栈，减轻传统显示器的缺点，提供额外的显示功能，如增加景深和亮度。张量显示器结合了多帧和多层功能，实现更宽的视场和更宽的景深，显著减少了人工制品。

光场成像与显示技术的不断进步，为三维视觉体验带来了革命性变化，从多光学功能的降维、光场的捕获与表示、到更全面和高质量的显示，为显微镜成像、计算机视觉等领域带来了前所未有的潜力。