2024年4月30日发(作者：辉羽彤)
基于频域的像素光场图像重聚焦算法
王宇 张旭 屠大维
摘要：提出一种基于像素光场的频域重聚焦算法。首先建立四维光场与像素光场的关
系模型，然后基于傅里叶变换，建立了像素光场的重聚焦方法，并分析了傅里叶切片的作
用和重采样的方法。在实验中，对比积分投影法，分析两种不同方法对同一场景的重聚焦
效果，评价了两种方法的计算效率。实验结果表明，基于频域的傅里叶切片法在结果上等
效于积分投影法，但是计算负担更小。
关键词：
像素光场； 重聚焦； 傅里叶切片
引言
光场有别于传统的二维图像，是对场景空间中既包含位置信息、又包含方向信息的所
有光线的四维光辐射场的参数化的表示[1]。传统相机对拍照的要求高，尤其是面对高速运
动或是多目标场景拍摄时，经常出现离焦等现象。如抓拍高速运动物体，要减少高速运动
的物体造成的运动模糊，如果减少曝光时间，则图像过暗；若增大孔径，则景深过小，造
成背景模糊[2]。当面对多目标场景，除聚焦点之外的物体则难以成像清晰。与之相对的，
光场成像技术通过先拍摄后聚焦的技术提供了解决这些问题的新途径。它可以记录场景中
自由光线传播的四维位置和方向信息，比传统的相机记录的内容更加丰富，增加了两维方
向信息[1]；通过数字重聚焦技术，还可以在拍摄之后重新选择焦点或是全景深融合，解决
离焦或背景模糊等问题[34]。
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光场图像信息在存储时有别于传统的二维图像：普通二维图像存储为RGB二维矩阵；
光场图像为了在保留位置信息的前提下，增加方向信息，用四维光场模型（其中位置坐标
两维，方向坐标两维）来表示。如图1所示，光线L（u，v，s，t）在空间中沿直线传播[5]。
根据Levoy的光场渲染理论[6]，空间中携带强度和方向信息的任意光线，都可以用两个平
行平面来进行参数化表示。因此，光场中的每条光线都可以用L（u，v，s，t）表示，其
中，[u，v]代表位置信息，[s，t]代表方向信息[7]。图1中d为两个平面间的距离，模型
化距离为1，而在实际进行光场变换的过程中，d会随着焦点的改变而改变。
作为光场成像中的核心技术之一，数字重聚焦的方法有很多，主要可以分为基于空间
域的积分投影[89]和基于傅里叶切片定理的信号处理的方法（以下简称傅里叶切片定理）
[410]两大类。基于空间域的投影积分法，主要是对光线沿光路的投影积分。鉴于光场数据
是四维的，因此，计算相对比较繁琐；相较于前者，基于频域的信号处理的方法为我们提
供了一个全新的关于光场图像的处理视角[11]，使得关于光场重聚焦的推导过程更加严密，
同时，这种完全不同的算法在数字重聚焦的计算方面更加快捷[412]。无论是在计算性还是
理论性，基于傅里叶切片定理的信号处理的方法，都是优于空间域的计算方法。
本文将频域处理方法用在光场成像数字重聚焦算法中，建立像素光场模型，提出一种
基于像素光场的傅里叶切片方法，并给出推导过程。从计算简便性和理论优越性方面，与
空间域积分投影法进行比较分析，实验证明傅里叶切片法的优势。
1傅里叶切片法
无论是积分投影法还是傅里叶切片法，都是基于光场理论。光场理论基于光场渲染理
论，即当已知某平面位置的光场信息，则该光场在移动一定距离后，光场信息发生转变，
聚焦点也随之变化[6]。如图2所示，A、B、C三个物体具有不同的深度，传统相机的聚焦
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2024年4月30日发(作者：辉羽彤)
基于频域的像素光场图像重聚焦算法
王宇 张旭 屠大维
摘要：提出一种基于像素光场的频域重聚焦算法。首先建立四维光场与像素光场的关
系模型，然后基于傅里叶变换，建立了像素光场的重聚焦方法，并分析了傅里叶切片的作
用和重采样的方法。在实验中，对比积分投影法，分析两种不同方法对同一场景的重聚焦
效果，评价了两种方法的计算效率。实验结果表明，基于频域的傅里叶切片法在结果上等
效于积分投影法，但是计算负担更小。
关键词：
像素光场； 重聚焦； 傅里叶切片
引言
光场有别于传统的二维图像，是对场景空间中既包含位置信息、又包含方向信息的所
有光线的四维光辐射场的参数化的表示[1]。传统相机对拍照的要求高，尤其是面对高速运
动或是多目标场景拍摄时，经常出现离焦等现象。如抓拍高速运动物体，要减少高速运动
的物体造成的运动模糊，如果减少曝光时间，则图像过暗；若增大孔径，则景深过小，造
成背景模糊[2]。当面对多目标场景，除聚焦点之外的物体则难以成像清晰。与之相对的，
光场成像技术通过先拍摄后聚焦的技术提供了解决这些问题的新途径。它可以记录场景中
自由光线传播的四维位置和方向信息，比传统的相机记录的内容更加丰富，增加了两维方
向信息[1]；通过数字重聚焦技术，还可以在拍摄之后重新选择焦点或是全景深融合，解决
离焦或背景模糊等问题[34]。
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光场图像信息在存储时有别于传统的二维图像：普通二维图像存储为RGB二维矩阵；
光场图像为了在保留位置信息的前提下，增加方向信息，用四维光场模型（其中位置坐标
两维，方向坐标两维）来表示。如图1所示，光线L（u，v，s，t）在空间中沿直线传播[5]。
根据Levoy的光场渲染理论[6]，空间中携带强度和方向信息的任意光线，都可以用两个平
行平面来进行参数化表示。因此，光场中的每条光线都可以用L（u，v，s，t）表示，其
中，[u，v]代表位置信息，[s，t]代表方向信息[7]。图1中d为两个平面间的距离，模型
化距离为1，而在实际进行光场变换的过程中，d会随着焦点的改变而改变。
作为光场成像中的核心技术之一，数字重聚焦的方法有很多，主要可以分为基于空间
域的积分投影[89]和基于傅里叶切片定理的信号处理的方法（以下简称傅里叶切片定理）
[410]两大类。基于空间域的投影积分法，主要是对光线沿光路的投影积分。鉴于光场数据
是四维的，因此，计算相对比较繁琐；相较于前者，基于频域的信号处理的方法为我们提
供了一个全新的关于光场图像的处理视角[11]，使得关于光场重聚焦的推导过程更加严密，
同时，这种完全不同的算法在数字重聚焦的计算方面更加快捷[412]。无论是在计算性还是
理论性，基于傅里叶切片定理的信号处理的方法，都是优于空间域的计算方法。
本文将频域处理方法用在光场成像数字重聚焦算法中，建立像素光场模型，提出一种
基于像素光场的傅里叶切片方法，并给出推导过程。从计算简便性和理论优越性方面，与
空间域积分投影法进行比较分析，实验证明傅里叶切片法的优势。
1傅里叶切片法
无论是积分投影法还是傅里叶切片法，都是基于光场理论。光场理论基于光场渲染理
论，即当已知某平面位置的光场信息，则该光场在移动一定距离后，光场信息发生转变，
聚焦点也随之变化[6]。如图2所示，A、B、C三个物体具有不同的深度，传统相机的聚焦
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