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Lecture10：相机与透镜

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视场

相机的基本成像原理就是小孔成像，而视场（FOV，Field of View）则是用来描述拍摄的范围

焦距对视场的影响

当传感器大小一定时，FOV随着焦距的增加而减小

通常在描述视场时，用以35mm的底片为基准：

  • 17mm is wide angle 104°
  • 50mm is a “normal” lens 47°
  • 200mm is telephoto lens 12°

传感器对视场的影响

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通常，相机的传感器越大，焦距越长那么相机越好

曝光

照相考虑的光照时间不是单位时间而是总体时间

  • 曝光时间T由快门控制
  • 辐射照度H由传感器上一个单位区域接收光的能量和镜头的光圈还有焦距控制

曝光的影响因素

  • 光圈大小（F数）
  • 快门时间（Shuttle Speed）
  • 感光度（ISO）

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ISO（gain）

ISO本质上一种光学增益，在放大增亮图片细节的同时也会放大噪声，并且ISO对图片的作用是线性的

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F-Stop

F数一般用来表示光圈的大小，与光圈的直径成反比，其实是焦距除以光圈的直径

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快门

快门可以用于调节曝光度，快门时间越长，物体显示越模糊

运动模糊，即为快门打开时会拍摄到一段运动，运动模糊从某种程度上来说会增加一定的真实感

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机械快门在进行拍摄时会有一小段开合的时间差，而此时如果拍摄高速运动的物体就容易发生变形的问题，这种现象称为：Rolling Shutter

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F数和快门的关系

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在选择时要综合考虑景深和运动模糊的问题

高速和延时摄影

高速摄影：快门时间极短，每秒派更多的照片

延时摄影：长曝光时间，小光圈

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薄透镜近似

透镜是一个很复杂的物理元件，而为了简洁地描述一些这类元件的普遍规律需要简化这一类元件

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理想化薄透镜

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对于透镜的理想化模型，需要满足三个特征：

  • 所有进入透镜的平行光一定过焦点
  • 过焦点的在透镜后一定是平行光
  • 焦距可以变化

透镜公式

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利用相似即可推导出公式

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消去

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散焦模糊

当物体远离焦平面时，聚焦后的点不在传感器平面，但是光线仍然会继续传播至传感器平面，因此一个点在传感器上就会成为一个面

这样一种现象称为：模糊（Defoucus Blur）

而这个面产生的直径称为：Circle of confusion，模糊圆

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有这样一个公式：

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基于理想薄透镜的光线追踪

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在渲染之前需要进行一些设置：

  • 定义sensor的大小，即成像平面大小，定义透镜的属性，即焦距和光圈的大小
  • 定义透镜和物体的距离——物距
  • 根据透镜方程计算相应的深度——相距

渲染过程：

  • 通过透镜的特征先确定的位置
  • 对sensor上的每个像素采样
  • 在透镜上随机取样一点
  • 计算到的辐射亮度

景深

景深其实就是模糊的范围，景深大则模糊的范围小，景深小模糊的范围大

光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大

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理论上来说，景深就是在场景内对应的CoC足够小的距离范围

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DOF就是景深，即成像清晰的一段范围，景深外的物体成像模糊