光場(chǎng)采集光場(chǎng)是定義在射線空間上的函數(shù)，射線空間是4維的，傳統(tǒng)的針孔相機(jī)只能采集二維射線簇，因此光場(chǎng)采集具有本質(zhì)的難度。早期光場(chǎng)采集的方法簡單粗暴，就是用大規(guī)模相機(jī)陣列，如圖12所示的二維相機(jī)陣列。這種光場(chǎng)相機(jī)笨重昂貴，無法普及。

斯坦福的光場(chǎng)相機(jī)：16x8多相機(jī)陣列

　　依隨數(shù)字相機(jī)技術(shù)的成熟，針孔相機(jī)愈來愈小，可以密集地集成在一起，從而縮小了光場(chǎng)相機(jī)的體積。但是鏡頭的尺寸無法縮減，如圖13所示。

斯坦福的光場(chǎng)相機(jī)：相機(jī)陣列

　　真正的突破來自于仿生學(xué)。許多昆蟲都有復(fù)眼,復(fù)眼獲取的就是光場(chǎng)信息。

昆蟲的復(fù)眼：光場(chǎng)相機(jī)

　　人類模仿昆蟲，制造了類似復(fù)眼的鏡頭，如圖15所示，在一個(gè)大鏡頭上集成了數(shù)十個(gè)小鏡頭。依隨光學(xué)工藝的改進(jìn)，人們制造出在一張塑料薄膜上集成了數(shù)千個(gè)微小鏡頭。斯坦福的博士生吳任基于這種想法，創(chuàng)立了光場(chǎng)相機(jī)Lytro公司。

Adobe制造的人造復(fù)眼原型

　　傳統(tǒng)的相機(jī)需要先對(duì)焦，再照相。Lytro相機(jī)提出的口號(hào)是“先照相，再對(duì)焦”。因?yàn)長ytro相機(jī)得到的光場(chǎng)信息，使用者可以由4維光場(chǎng)合成不同角度，深度的二維相片。

Lytro相機(jī)

　　如圖17所示的婚紗攝影：同一個(gè)光場(chǎng)相片，我們既可以聚焦于靠近鏡頭的新郎；也可以聚焦于遠(yuǎn)離鏡頭的新娘。

Lytro婚紗照：同一張光場(chǎng)相片，可以聚焦在不同的區(qū)域。左幀，聚焦在新郎上；右?guī)?，聚焦在新娘?/p>

　　光場(chǎng)顯示傳統(tǒng)的顯示方式，屏幕，LCD/LED，只保留了射線穿過屏幕的交點(diǎn)的幾何信息和顏色信息，沒有保留射線的方向信息。屏幕是漫反射的，從屏幕上某一點(diǎn)發(fā)出的所有射線都是相同顏色的，而光場(chǎng)顯示要求從同一點(diǎn)出發(fā)的不同射線具有不同的顏色，如圖18所示。光場(chǎng)顯示，正是MagicLeap的核心技術(shù)。

顯示模式對(duì)比：左圖是傳統(tǒng)屏幕，過一點(diǎn)的所有射線同樣顏色；右圖是光場(chǎng)顯示，過一點(diǎn)的不同射線不同顏色

　　USC的光場(chǎng)顯示南加州大學(xué)提出并制作了一種光場(chǎng)顯示裝置，如圖19、20所示，有一個(gè)四面透光的玻璃柜子，柜子中間是一面和水平面夾角為45度的鏡子，柜子頂部安裝了一臺(tái)高速投影儀，投影儀垂直向下投影，光線經(jīng)過鏡子反射后水平射出。同時(shí)，鏡子高速旋轉(zhuǎn)。一顆幽靈般的透明人頭懸浮在空氣之中，當(dāng)我們繞著柜子走的時(shí)候，我們可以看到人頭的各個(gè)側(cè)面，并且這顆人頭對(duì)你擠眉弄眼。

USC Light field display，一顆漂浮的人頭

USC Light field display用于遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)

USC Light Field display 專利圖

　　圖21展示了這一光場(chǎng)顯示儀器的原理。45度傾斜的鏡子（114）被電機(jī)馬達(dá)（115）帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，圖形處理器（130）生成圖像傳遞給高速投影儀（120），投影儀投射到鏡子上，經(jīng)反射水平射向四周。這樣，經(jīng)過嚴(yán)格同步控制，我們就顯示了一個(gè)三維的光場(chǎng)。這一裝置笨重而昂貴，同時(shí)高速旋轉(zhuǎn)的鏡子使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。任何機(jī)械振動(dòng)都會(huì)影響光場(chǎng)顯示效果。

　　MagicLeap光場(chǎng)顯示-手電筒解釋MagicLeap的核心技術(shù)是一種特殊的光場(chǎng)顯示設(shè)備：光導(dǎo)纖維投影儀。激光在光導(dǎo)纖維中傳播，在纖維的端口射出，輸出方向和纖維相切。改變纖維在三維空間中的形狀，特別是改變纖維端口處的切方向，我們可以控制激光射出的方向。這就猶如我們拿著一個(gè)手電筒，通過改變手電筒的位置，和指向改變輸出光柱的方向。如果我們快速搖動(dòng)手腕，手電筒發(fā)出的光柱在空中劃出了一個(gè)圓錐面，這個(gè)圓錐面打到一面墻上成為一個(gè)圓周。通過快速改變手腕搖動(dòng)的幅度，我們可以控制這個(gè)圓周半徑大小，從而得到一系列的同心圓，這一系列同心圓覆蓋了一張圓盤。如果，手電筒的光柱顏色會(huì)變化，則我們?cè)趬ι袭嫵隽艘粋€(gè)彩色圓盤。這樣，通過快速搖動(dòng)一只手電筒，我們得到了一幅圖像，或者覆蓋了一簇射線。假設(shè)有很多人，站在不同的空間位置，每人都搖動(dòng)一只手電筒，則我們得到了一個(gè)光場(chǎng)。這就是MagicLeap的光場(chǎng)顯示設(shè)備：光導(dǎo)纖維投影儀的原理。

Magic Leap的手電筒

　　圖22顯示了MagicLeap的手電筒，促動(dòng)器(206）相當(dāng)于人的手腕，光纖（208）相當(dāng)于手電筒，促動(dòng)器使得纖維頂端周期性地顫動(dòng)，纖維頂端螺旋地畫出了一些列的同心圓，激光經(jīng)由透鏡系統(tǒng)輸出，在空中畫出了一簇射線。投射到平面上照亮了一個(gè)圓盤。同步地改變經(jīng)過顏色和強(qiáng)度，一根纖維利用分時(shí)技術(shù)得到一幅圖像，如圖23所示。

一根纖維利用分時(shí)技術(shù)得到一幅圖像

　　在MagicLeap的纖維光投影儀中，有許多根光導(dǎo)纖維，集結(jié)成二維陣列，每根纖維都相當(dāng)于一個(gè)針孔相機(jī)，二維相機(jī)陣列生成了光場(chǎng)。

　　光場(chǎng)顯示的優(yōu)勢(shì)相比于雙目立體視覺，光場(chǎng)顯示有很多優(yōu)勢(shì)。人類獲取三維深度信息有兩種途徑，“shapefromstereo”和“shapefromfocus”。我們用兩只眼睛看同一個(gè)物體，同一個(gè)三維空間中的點(diǎn)，映到左右視網(wǎng)膜不同的像素上。我們?nèi)四X能夠通過視網(wǎng)膜上的像素，反算對(duì)應(yīng)的空間的射線，從而得到兩條射線的交點(diǎn)，得到深度信息，這一過程是“shapefromStereo”。我們每只眼睛看物體的時(shí)候，大腦會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)眼睛的晶狀體的曲率，使得物體在視網(wǎng)膜上清晰成像。調(diào)節(jié)晶狀體的肌肉緊張程度使得大腦能夠計(jì)算物體的深度信息，即所謂的“shapefromfocus”。看3D版的《阿凡達(dá)》的時(shí)候，我們只用到了“shapefromStereo”，眼睛的焦距一直固定，因?yàn)檠劬Φ狡聊坏木嚯x不變，因此沒有“shapefromfocus”的過程。但是，人類經(jīng)過漫長的進(jìn)化，這兩種過程自然而然地緊密聯(lián)系在一起。人為地割裂它們，就會(huì)使人目眩頭暈。相反地，如果用光場(chǎng)顯示技術(shù)，我們同時(shí)需要“shapefromStereo”和“shapefromfocus”，因此觀看時(shí)不會(huì)頭暈?zāi)垦?，光?chǎng)顯示技術(shù)更加自然健康。

　　光場(chǎng)顯示的挑戰(zhàn)作為一場(chǎng)革命的開端，MagicLeap的技術(shù)面臨著許多挑戰(zhàn)。最為直接的就是：傳統(tǒng)的顯示技術(shù)只需要計(jì)算四維光場(chǎng)中的一個(gè)二維切片，而光場(chǎng)顯示需要計(jì)算整個(gè)四維光場(chǎng)，其計(jì)算復(fù)雜度提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這是技術(shù)瓶頸之一。同時(shí)，精確的調(diào)控機(jī)械部件，使得每一個(gè)纖維都穩(wěn)定自然地顫動(dòng)，并且顫動(dòng)的模式要和數(shù)據(jù)傳輸相互同步，并且這種顫動(dòng)不受外界噪音的影響，這也需要令人匪夷所思的技術(shù)。

　　數(shù)字全息光場(chǎng)從概念的提出到MagicLeap的投資狂潮已經(jīng)走了二十年，而數(shù)字全息技術(shù)的發(fā)展歷史更加漫長。光場(chǎng)本質(zhì)上還是幾何光學(xué)，而數(shù)字全息則是波動(dòng)光學(xué)。目前數(shù)字全息技術(shù)日益成熟，依隨藍(lán)色激光的發(fā)明，彩色數(shù)字全息技術(shù)成為可能。目前發(fā)展的瓶頸一是計(jì)算量巨大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過光場(chǎng)計(jì)算，二是數(shù)字全息顯示中需要特殊的一種晶體，每個(gè)像素的折射率能夠由電壓控制。目前這種光學(xué)器件依然昂貴，并且尺寸較小。我們相信依隨光場(chǎng)技術(shù)的廣為接受，數(shù)字全息技術(shù)也會(huì)長足發(fā)展。

　　光場(chǎng)技術(shù)的啟示光場(chǎng)技術(shù)的歷史發(fā)展使我們看到顛覆性的技術(shù)革命往往起源于基礎(chǔ)科學(xué)和非商業(yè)功利的學(xué)術(shù)界。從學(xué)術(shù)界醞釀成熟，到商業(yè)界呼風(fēng)喚雨往往要幾十年。MagicLeap的技術(shù)突破來自于對(duì)于內(nèi)窺鏡技術(shù)的轉(zhuǎn)用，這顯示了跨界科研的重要性。

　　期待有一天，電視電影都是用光場(chǎng)攝像機(jī)拍攝，觀眾可以任意動(dòng)態(tài)選擇觀看角度?；蛟S這一天要等待另一個(gè)二十年，或許只需三五年。我相信，不久的將來，淘寶網(wǎng)上的照片都會(huì)被光場(chǎng)相片所取代，而Magicleap頭盔，成為每一個(gè)網(wǎng)購者的標(biāo)配。