Modern imaging systems have been evolved to effectively capture light. Through continuous developments, we can now capture the world realistically even competitive to the human visual system. However, capturing light in full fidelity is still challenging. One fundamental reason originates from the fact that light has the properties of both particles and waves. Most imaging devices are not optimized to capture light as waves, therefore, losing valuable information about the real world hidden in the wave properties of light. This dissertation studies ways of capturing, analyzing and exploiting the overlooked dimensions of light waves, such as spectrum and polarization, in order to solve many problems in computer vision and graphics. To this end, we develop imaging systems so that the wave properties of light can be captured in the form of images. Computational algorithms then extract scene properties from the captured images. This joint design of optics and computational algorithms enables us to understand the complex and delicate interaction of light waves and materials. Specifically, we demonstrated four applications of this principle: estimating depth from double refraction, color and depth from uneven double refraction, spectrum from dispersion, and surface appearance from polarization. We believe that computational imaging systems of capturing light waves in full fidelity will open up the completely new understanding of our real world.
현대의 이미징 시스템들은 빛을 효과적으로 촬영하기 위하여 발전했고 우리는 이제 인간의 시각 시스템과 비슷할 정도로 세상을 현실적으로 촬영할 수 있게되었다. 그러나, 빛을 총체적으로 촬영하는 것은 여전히 쉽지 않고 그 원인 중 하나는 빛이 입자로서의 성질과 파동으로서의 성질이 공존한다는 이중성에서 비롯한다. 대부분의 이미징 장비들은 빛을 파동으로서 촬영하는데에 최적화되어있지 않기 때문에 빛의 파동 성질에 들어있는 실제 세계의 중요한 정보들을 촬영 할 수 없다. 본 박사 학위 논문은 스팩트럼과 편광과 같은 빛의 파동적 성질들을 촬영, 분석, 그리고 이용하여 컴퓨터 비전과 그래픽스 분야의 다양한 문제를 푸는 방법에 대해서 다룬다. 이를 위해 우리는 빛의 파동적 성질을 사진의 형태로 촬영할 수 있는 이미징 시스템을 개발하고 계산적 알고리즘들을 이용해 촬영된 사진에서 파동적 성질을 추출한다. 이렇게 광학과 계산적 알고리즘을 같이 개발하는 것은 빛과 물질 사이의 복잡하고 미묘한 상호작용에 대해서 이해할 수 있게 해준다. 구체적으로, 우리는 이러한 원리의 네가지 응용인 복굴절으로부터의 깊이 측정, 균일하지 않은 복굴절으로부터의 색과 깊이 측정, 분산으로부터의 스팩트럼 측정, 그리고 편광으로부터의 표면 반사 측정에 대하여 소개한다. 이러한 파동으로서의 빛을 촬영할 수 있는 계산적 이미징 시스템은 우리가 살고있는 세상에 대해 새로운 분석을 가능하게 해줄것이다.
