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摘要一 照相机主要部分二 小孔成像与视场(FOV)三 曝光(Exposure)四 景深(Depth of Field)总结
摘要
虽说照相机与透镜属于相对独立的话题#xff0c;但它们的确是计算机图形学当中的一部分知识。在过往的十多篇笔记中#xff0c;我们学习的都是如…**19 ** 相机与透镜
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摘要一 照相机主要部分二 小孔成像与视场(FOV)三 曝光(Exposure)四 景深(Depth of Field)总结
摘要
虽说照相机与透镜属于相对独立的话题但它们的确是计算机图形学当中的一部分知识。在过往的十多篇笔记中我们学习的都是如何渲染出一张虚拟的图片因此在本节当中会去介绍照相机与透镜的相关知识了解现实图像生成的一些内容。
一 照相机主要部分
对于一个照相机来说最重要的组成部分之一便是透镜它是成像的关键无论是小孔成像还是透镜成像如下图所示 其次我们知道照相机的快门一般一直处于关闭状态直到按下拍照的瞬间才会打开允许光线信息进入到透镜 最后当快门打开光线成功通过透镜之后所有光线信息都会照射到传感器上(相当于胶片)来进行存储通过传感器上的信息得到最终图像 那么回想一下在讲辐射度量学的时候我们介绍了种种关于光线物理性质的一些描述概念对应于这里传感器其存储的应该是什么呢观察下图 右边相当于传感器平面传感器的每一点记录了来自物体所有方向的光因此每一点存储的也就是irradiance(如果读者不清楚辐射度量学可以略过并不影响本文阅读)。
以上就是对照相机成像的最重要几部分的简略介绍接下来会一一详述解释。
二 小孔成像与视场(FOV)
相信读者一定都了解或听说过小孔成像该项技术的起源十分悠久通过小孔只允许一定方向的光线通过从而得到一个倒立的成像 对于小孔成像不多做解释主要是希望通过它从而引出视场的概念如下图 举一个具体的例子 从图中可以看出当焦距越大的时候成像的角度就越小集中在一小部分类似于我们拿手机不停的放大拍摄倍数一样。
当然除了焦距传感器的长度也有着很明显的影响底片长度越大自然FOV也就越大 tips
对于不同的设备传感器长度不一想要保持同样的FOV的话就需要同比缩小焦距。
三 曝光(Exposure)
在第一章中我们提到传感器上接受到的是irradiance也就是每单位面积所接受到的光线功率而曝光就是用时间乘上了这个irradiance
Exposure time x irradiance
从物理意以上来说就是真正的所接受到的能量(Energy)。那么这个时间由什么控制呢
没错正是快门速度除此之外曝光还会被其他2个参数所影响即一共3项参数
1. 快门速度(Shutter speed)快门打开时间越长进光时间越长进光量自然越多。
2. 光圈大小(Aperture size)描述此项的数值称为f-stop直观理解如果光圈越大被遮挡的光越少进光量越多那么曝光的程度就会越高。
3. 感光度(ISO gain)对于感光度可以简单理解为对最终的图像值乘上了一个倍数。
以下给出一张图构建对这三项的直观理解 首先观察最下方的ISO变化对照片的影响之前提到ISO就是一个简单的线性变化对图像的结果乘上了一个倍数随着ISO的值显著增大之后虽然画面整体亮度会提升但同时也会观察到画面有很多的噪点。这其实很容易解释照片本质所记录的无非就是信号那么对于光线的信息自然也会有些很小的noise进入如果对图像进行整体进行亮度放大的话noise自然也会变的更加明显形成了噪点。
接着是中间一行的快门速度图片下方的值越大代表速度越慢快门打开时间越长透镜的进光量越大图片也就会越亮但同时运动的物体也会变的模糊起来。
原因如下: 快门打开后照相机会记录一段时间内的所有物体的光线信息如果快门打开时间足够长就能通过最终的照片捕捉到物体的移动而这也就是动态模糊 但这种模糊也不一定不是坏事正如上图例子所示左边快门速度慢看到了锤子有落下的趋势获得到了更多的图片信息而右边的快门速度快看上去更像是静止的画面没有动态的效果。
这也是为什么一般的电影拍摄只用24FPS却不会觉得卡顿因为动态模糊的存在使得人眼接受到的信息更多。但对于游戏来说往往需要60FPS以上因为游戏内每一帧都是静止画面并不存在动态模糊(有的游戏可以打开动态模糊)所以需要更多的图片数量才会使人觉得不卡顿。
但对于快门速度有一点需要额外关注无论快门打开的速度有多快它一定有一个打开关闭的过程所以整幅照片上不同的部分往往记录的时间间隔有着微小差距当拍摄高速物体时这种效果更加明显 最后对于一开始那幅图的最上面一行也就是光圈大小 F-stop 或者F-Number值(该行中的逗号代表小数点)该值大小与光圈直径的倒数成正比因此FN值越小代表光圈越大进光量越大画面亮度越高但同时也会带来景深模糊的影响(对于该点留在下一节去解释) 以上就是关于曝光一些基础内容对于曝光有两点主要的应用高速摄影和低速摄影
对于高速摄影来说物体运动速度极快因此需要非常小的快门速度来捕捉到它但同时为了补偿进光时间不够还需要使用大光圈或提高ISO来保证曝光正常 对于低速摄影来说则相反一般采用较长的快门时间来捕捉物体运动的轨迹如下图飞机降落轨迹 四 景深(Depth of Field)
在讨论到景深之前我们先给出本章中所采用的理想透镜的性质 (1) 所有平行射入透镜的光都会集中于一点称该点为焦点
(2) 所有从焦点射入透镜的光都会平行射出(光路可逆性)
(3) 焦距可以被随意改变(这里单个透镜当然不行但在现实中大部分的照相机都是一个透镜组可以做到焦距随意改变)
利用这些性质可以得到理想透镜的成像规律对于一个通过透镜的成像物体来说其物距Z0像距Zi和焦距f之间存在如下图的关系 其推导过程可以简单的从两对相似三角形入手 过程如下 了解了上述的透镜成像规律之后让我们一起观察一下景深模糊所产生的的原因 同时这里也给出了不同光圈大小拍照的例子小光圈锐利景深模糊不明显大光圈则有明显的景深模糊
那么回归到本章的主题Depth of Field它与景深模糊并不是同一个东西景深模糊是一种情形而景深则是一个具体的数值其具体指 当我们固定一个可以接受的Circle of Confusion C值之后可以逆向推导出小于该C值的对应的一段距离是多少这个距离就是景深如下图所示 图中蓝色阴影区域的C值小于提前确定的值该区域的长度即为景深对应推导过程也已经在闫老师课上的这个Slides中给出。
Note
关于如何在光线追踪当中实现景深模糊的效果只需要简单的模拟透镜的光线传播即可如下图当中的步骤所示 实际渲染效果图
