Lichtfeldfotografie: Was ist das und wie funktioniert es?

Die Lichtfeldfotografie gibt es schon lange. Das erste analoge Lichtfeldgerät wurde 1908 von Gabriel Lippmann erfunden, der für seine Arbeiten zur Farbfotografie schließlich den Nobelpreis erhielt.

Die Lichtfeldfotografie ist faszinierend, da Sie die Fokusebene eines Bildes verschieben können, nachdem ein Bild bereits aufgenommen wurde, was in der normalen Fotografie unmöglich ist.

Wie funktioniert die Lichtfeldfotografie? In diesem Artikel erfahren Sie alles, was Sie wissen müssen.

Was ist Lichtfeldfotografie?

Die normale Fotografie funktioniert sehr ähnlich wie das menschliche Auge. Sie fokussieren mit der Kamera und der Sensor nimmt ein zweidimensionales Bild des dreidimensionalen Raums auf, wobei ein „Ausschnitt“ dieses Raums im Fokus ist. Alles vor oder hinter dem fokussierten Bereich ist verschwommen und unscharf. Dies liegt daran, dass ein normaler Sensor nur Informationen über die Intensität des Lichts erfasst.

Das Lichtfeld bezeichnet die Gesamtheit aller Lichtstrahlen (jedes Photon) in einer Szene. Die Lichtstrahlen, aus denen das Lichtfeld besteht, werden durch die plenoptische Funktion definiert (deshalb werden Lichtfeldkameras auch als plenoptische Kameras bezeichnet). Die plenoptische Funktion beschreibt einen Lichtstrahl in fünf Dimensionen: seine Koordinaten im 3D-Raum (X, Y, `) und seine Richtung im 2D-Raum (zwei Winkel).

Die Lichtfeldfotografie erfasst Informationen aus dem Lichtfeld in einer bestimmten Szene, einschließlich sowohl die Intensität des Lichts als auch die Richtung der Lichtstrahlen (nach der plenoptic Funktion).

Die Lichtfeldfotografie unterscheidet sich stark von der konventionellen Fotografie. Es ermöglicht Ihnen, ein dreidimensionales Bild aufzunehmen und zu wählen, wo der Fokus im Nachhinein liegen soll. Durch den Einsatz mehrerer Sensoren kann sowohl das einfallende Licht als auch die Richtung der Lichtstrahlen erfasst werden.

Wie funktioniert die Lichtfeldfotografie?

Wie erwähnt erfasst eine Lichtfeldkamera alle Informationen über das Lichtfeld vor der Kamera. Diese Informationen umfassen die Intensität, Farbe und Richtung des Lichts. Aus diesem Grund ist es möglich, mathematisch zu bestimmen, woher jeder Lichtstrahl kam, bevor er den Sensor erreichte. Dies bedeutet, dass ein dreidimensionales Modell der Szene konstruiert werden kann.

Es gibt verschiedene Techniken, um ein Lichtfeld zu erfassen, zum Beispiel:

• Verwenden einer einzigen Kamera zum Erfassen von Informationen über eine Szene aus mehreren Blickwinkeln. Diese Methode erzeugt eine Auswahl von vielen Bildern.
• Arrays mit mehreren Kameras. Diese verfügen normalerweise über Dutzende von Sensoren in einer breiten Anordnung, die Informationen über eine Szene aus einem etwas anderen Blickwinkel erfassen. Diese Methode erzeugt auch viele Bilder auf einmal.
• Mikrolinsen-Arrays. Ein Array von Hunderten von Mikrolinsen vor einem einzigen digitalen Kamerasensor ermöglicht die Erfassung von Lichtfeldinformationen. Dies erzeugt ein Bild, das aus Hunderten von Unterbildern besteht.

Jedes Bild oder Unterbild unterscheidet sich dadurch, dass es Lichtstrahlen erfasst, die an leicht unterschiedlichen Orten im Raum entstanden sind. Da jedes Pixel daher eine etwas andere Szene zeigt, werden Informationen über den Winkel des Lichtstrahls aufgezeichnet. Dadurch ist es möglich, den Abstand jedes Objekts zur Kamera und Position in der Szene zu berechnen und schließlich ein 3D-Modell der Szene zu entwickeln.

Anwendungen der Lichtfeldfotografie

Es gibt verschiedene Verwendungen für die Lichtfeldfotografie, die unglaublich nützlich sein können. Da alle Informationen über das Lichtfeld einer Szene aufgezeichnet werden, ist es möglich, Lichtfeldbilder auf viele Arten zu verarbeiten, die in der normalen Fotografie nicht möglich sind.

Benutzerdefinierter Fokuspunkt

Die bekannteste Funktion der Lichtfeldfotografie ist die Möglichkeit, den Fokuspunkt nach der Aufnahme zu ändern. Dies liegt daran, dass die von der Kamera erfassten Informationen den Fokus in jeder Entfernungsbedeutung enthalten dass es mit ausgeklügelter Software möglich ist, eine beliebige Entfernung als Brennpunkt im Szene.

Variable Schärfentiefe

Ähnlich wie beim Fokussieren ist es aufgrund der Art der aufgezeichneten Informationen möglich, Bilder mit „synthetischer Apertur“ zu verarbeiten. Die Blende ist der Durchmesser der Öffnung in einem Objektiv und bestimmt die Schärfentiefe (wie unscharf sind Vorder- und Hintergrund) in einem Bild.

Verbunden: Warum die Blende in der Fotografie wichtig ist

Da ein Lichtfeldbild Informationen in jeder möglichen Fokusentfernung enthält, ist es möglich, Bilder mit möglichst geringer Schärfentiefe erstellen (nur ein sehr kleiner Ausschnitt ist scharfgestellt). Es ist auch möglich, ein Bild mit unendlicher Schärfentiefe zu erstellen, bei dem alles im Bild scharf ist.

Parallaxe-Effekt

Je nachdem, wie das Lichtfeld erfasst wird, können leicht unterschiedliche Blickwinkel der Szene erzeugt werden. Dies hängt vom Durchmesser oder der Breite des Systems ab, mit dem das Bild aufgenommen wird. Je breiter das Linsensystem ist, desto mehr Licht wird aus weiteren Winkeln erfasst.

Sobald das Bild aufgenommen wurde, ist es möglich, die Perspektive des Bildes um einen kleinen Betrag zu ändern, als ob Sie Ihren Kopf in der tatsächlichen Szene bewegen würden. Dies wird als Parallaxeneffekt bezeichnet. Mit dem Parallax-Effekt ist es auch möglich, ein 3D-Bild zu rekonstruieren.

Entfernungen berechnen

Abhängig von der Empfindlichkeit des Lichtfeld-Fotografiesystems und der Bekanntheit seiner optischen Eigenschaften ist es möglich, den Abstand vom Objektiv zu Objekten in einer Szene zu berechnen. Eine wichtige Anwendung hierfür wäre die Mikroskopie, wo es nützlich ist, die Größe synthetischer oder biologischer Proben genau zu messen.

Beleuchtungsbedingungen ändern

Da bei der Lichtfeldfotografie so viele Informationen über die Szenentiefe aufgezeichnet werden, ist es mit Nachbearbeitungssoftware möglich, die Beleuchtung in einer Szene genau zu rekonstruieren. Da die Software die relativen Positionen aller Objekte in einem Bild kennt, kann sie überzeugend berechnen, wo die Schatten fallen würden.

Virtuelle Realität

Lichtfeldfotografie kann Filmemachen und VR für immer verändern. Dies liegt daran, dass Lichtfeldfotografie verwendet werden kann, um reale VR zu erstellen. Google hat dazu Beispiele entwickelt, die auf eingesehen werden können Dampf.

Mit einem rotierenden Kamera-Array von 16 GoPros nahmen sie Tausende von Bildern auf, die alle Lichtfeldinformationen in einem 3D-Raum aufzeichneten. Sie waren dann in der Lage, ein dreidimensionales Virtual-Reality-Erlebnis mit sechs Freiheitsgraden zu schaffen.

Sind Lichtfeldkameras die Zukunft der Fotografie?

Im Jahr 2012 wurde die erste Lichtfeldkamera für den Verbrauchermarkt herausgegeben von der Firma Lytro. Diese Kamera hatte eine Auflösung von einem Megapixel bei einer konstanten Blende von F/2 und kostete zwischen 400 und 500 US-Dollar. Seitdem sind nur sehr wenige verbraucherorientierte Lichtfeldkameras auf den Markt gekommen.

Der Mangel an Auflösung und Bildqualität führte dazu, dass sich Lichtfeldkameras im Consumer-Markt einfach nicht durchsetzten wie DSLRs. Tatsächlich befinden sich viele der Anwendungen der Lichtfeldtechnologie noch in der Entwicklung.

Aber es gibt einen Grund, warum Google (und jetzt Apple) in diese Technologie investieren, und ihre Verwendung bei der Erstellung von 3D-Benutzererlebnissen für VR ist nur ein Beispiel!

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