Was ist Lichtfeldfotografie und wie funktioniert sie?

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

Die Lichtfeldfotografie ermöglicht es Ihnen, die Fokusebene eines Bildes zu verschieben, nachdem ein Bild bereits aufgenommen wurde, was in der normalen Fotografie unmöglich ist.

Wie funktioniert also 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 erfasst ein zweidimensionales Bild des dreidimensionalen Raums, wobei ein „Ausschnitt“ dieses Raums scharfgestellt wird. Alles vor oder hinter dem fokussierten Bereich ist verschwommen und unscharf. Denn ein normaler Sensor erfasst nur Informationen über die Intensität des Lichts.

Das Lichtfeld bezieht sich auf die Gesamtheit aller Lichtstrahlen (jedes Photon) in einer Szene. Die Lichtstrahlen, die das Lichtfeld ausmachen, 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 der Intensität des Lichts als auch der Richtung der Lichtstrahlen (gemäß der plenoptischen Funktion).

Die Lichtfeldfotografie unterscheidet sich stark von der konventionellen Fotografie. Es ermöglicht Ihnen, ein dreidimensionales Bild aufzunehmen und auszuwählen, 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 Lichtfeldfotografie?

Zu den Informationen in Lichtfeldkameras gehören 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 zum Erfassen eines Lichtfelds, zum Beispiel:

• Verwenden einer einzigen Kamera, um Informationen über eine Szene aus mehreren Blickwinkeln zu erfassen. Diese Methode erzeugt eine Auswahl vieler Bilder.
• Arrays mit mehreren Kameras. Diese verfügen normalerweise über Dutzende von Sensoren in einer breiten Anordnung, die jeweils Informationen über eine Szene aus einem etwas anderen Blickwinkel erfassen. Diese Methode erzeugt auch viele Bilder auf einmal.
• Mikrolinsenarrays. Eine Anordnung von Hunderten von Mikrolinsen vor einem einzigen Digitalkamerasensor ermöglicht die Erfassung von Lichtfeldinformationen. Dadurch entsteht ein Bild, das aus Hunderten von Teilbildern besteht.

Jedes Bild oder Teilbild unterscheidet sich dadurch, dass Lichtstrahlen erfasst werden, 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, die Entfernung jedes Objekts von der Kamera und die Position in der Szene zu berechnen und schließlich ein 3D-Modell der Szene zu entwickeln.

Anwendungen der Lichtfeldfotografie

Es gibt verschiedene Anwendungen für die Lichtfeldfotografie, die unglaublich nützlich sein könnten. 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.

1. Benutzerdefinierter Schwerpunkt

Das bekannteste Merkmal der Lichtfeldfotografie ist die Möglichkeit, den Fokuspunkt nach der Aufnahme zu ändern. Dies liegt daran, dass die von der Kamera erfassten Informationen den Fokus auf jede Entfernung beinhalten, was bedeutet, dass es mit ausgeklügelter Software möglich ist, jede Entfernung als Fokuspunkt in der Szene auszuwählen.

2. Variable Schärfentiefe

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

Da ein Lichtfeldbild Informationen in jeder möglichen Fokusentfernung enthält, ist es möglich, Bilder mit der kleinstmöglichen Schärfentiefe zu 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.

3. Parallax-Effekt

Je nachdem, wie das Lichtfeld erfasst wird, können leicht unterschiedliche Blickwinkel auf die 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 breiteren Winkeln eingefangen.

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 ist als Parallaxeneffekt bekannt. Mit dem Parallax-Effekt ist es auch möglich, ein 3D-Bild zu rekonstruieren.

4. Entfernungen berechnen

Abhängig von der Empfindlichkeit des Lichtfeldfotografiesystems und wie gut seine optischen Eigenschaften bekannt sind, ist es möglich, die Entfernung vom Objektiv zu Objekten in einer Szene zu berechnen. Eine wichtige Anwendung wäre die Mikroskopie, wo es nützlich ist, die Größe synthetischer oder biologischer Proben genau zu messen.

5. Ändern Sie die Lichtverhältnisse

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.

6. Virtuelle Realität

In den frühen 2020er Jahren wurde Virtual Reality immer mehr zu einem prominenten Gesprächsthema. Dies wurde teilweise durch Metas Wunsch angeheizt, das Metaversum zu erschaffen. Lichtfeldfotografie kann verwendet werden, um reales VR zu erstellen; Google hat hierfür Beispiele entwickelt, die auf Steam eingesehen werden können .

Mit einem rotierenden Kamera-Array aus 16 GoPros nahm Google 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 von der Firma Lytro herausgebracht. Diese Kamera hatte eine Ein-Megapixel-Auflösung mit einer konstanten Blende von f/2 und wurde für zwischen 400 und 500 US-Dollar verkauft. Seitdem sind nur sehr wenige verbraucherorientierte Lichtfeldkameras auf den Markt gekommen.

Der Mangel an Auflösung und Bildqualität führte dazu, dass Lichtfeldkameras auf dem Verbrauchermarkt einfach nicht so erfolgreich waren wie DSLRs. Tatsächlich befinden sich viele Anwendungen der Lichtfeldtechnologie noch in der Entwicklung.

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

Lichtfeldfotografie: Eine sich entwickelnde Technologie

Obwohl Lichtfeldkameras relativ neu sind, haben sie ein enormes Potenzial. Man kann viele Parallelen zu den Anfängen der Fotografie ziehen, auch wenn es anders ist – mit fester Blende und niedriger Auflösung, um nur zwei Beispiele zu nennen. Im Laufe der Zeit ist es jedoch wahrscheinlich, dass diese Technologie wachsen wird.

Es lohnt sich, ein Auge darauf zu werfen, wie die Lichtfeldfotografie in Zukunft angewendet wird.