Lecture19_相机、透镜与光场（Cameras, Lenses and Light Fields）_GAMES101 课堂笔记

这节课的内容是独立的 topic，主要介绍一些相机相关的成像知识。

第一部分：相机成像基本知识

Imaging = Synthesis + Capture （成像 = 合成+捕捉）

相机内部构造：

最早的相机就是利用“小孔成像”原理，后面发明了 “针孔相机”。

• Shutter Exposes Sensor For Precise Duration（快门用于控制进入相机的时间），快门示意图：

  

• Sensor Accumulates Irradiance During Exposure（传感器积累在辐照期间的曝光），另外，每个传感器的点不会记录 radiance，只能记录Irradiance（但目前随着科技发展，最新的一些传感器可以通过方向性的光分开传感分开记录。）

下面介绍一些相关的概念：

一、Pinhole Image Formation（针孔的图像形成）

（一）成像示意图

针孔成像锐利清晰，没有虚化景深效果。

二、Field of View (视场，FOV)

视场与传感器、焦距均有关。定义视场：

不同的视场的拍摄效果：

传感器尺寸参考：

小的传感器尺寸，小的视场,反之亦然。

手机与摄像机相同视场不同参数，等价概念：

第二部分：Exposure（曝光）

曝光度计算公式：

摄影中影响曝光的因素：

对于三种因素不同的参数表现效果：

其中光圈参数：F+数字，数字越大，光圈越小

曝光时间越长，越容易造成运动模糊

ISO+数字，是指在原来的图像上，乘以多少倍数。这样的效果是放大信号（变亮），但也同时放大了噪声。

一、ISO 感光度

1. 对于ISO解释：

2. 不同ISO表现效果

二、光圈大小

三、快门速度

常见的快门速度缺陷：

1. Motion blur

如果运动物体足够快，快门时间长/慢,在一段曝光时间内，会捕捉到许多物体运动的轨迹，由此造成 “运动模糊（Motion Blur）”。

运动模糊好处——可以拍下告诉运动的物体轨迹。例如左图：

2. Rolling shutter

对于超高速的运动物体，不同时间的光会造成扭曲现象，如下图飞机的螺旋桨：

3. 光圈大小 vs 快门速度

某种层面上，他俩可以近似相互转换，但是并不严格意义上相乘。换算如下：

四、Fast and Slow Photography

（一）High-Speed Photography

可以用于拍摄比较有连续性的效果。

（二）Low-Speed Photography

或者称为 “Long-Exposure Photography”。小光圈长时间，延时摄影效果，在摄影界被称为 “拉丝” 效果。

第三部分：Thin Lens Approximation

手机其实是一个透镜组：

问题：

• 真正的镜片都不太理想 - 畸变

通过折射后，虽然能汇聚，但不能均汇聚到某一个点。

• 理想的薄透镜 - （同一）联络点

  

  （1）同一点发出的光线进入透镜穿过其焦点所有均变成平行射线。

  （2）通过一个焦点的所有光线将在平行穿过透镜之后汇聚到一点上。
  （3）实际上，焦距可任意改变。

一、The Thin Lens Equation（薄镜方程）

过中心不改变方向，不过棱镜中心则改变方向。其中, \(z_0\) 为物距， \(z_i\)为像距。\(f\)为焦距。

1. Gauss’ Ray Diagrams

物距与像距之间的关系：

物距、像距与焦距之间的关系：

二、Defocus Blur（可用于解释景深）

表现效果：

光圈计算举例：

光圈大小与弥散圈成反比，效果表示如下：

三、Ray Tracing Ideal Thin Lenses

用于渲染的实例：

1. Ray Tracing for Defocus Blur (Thin Lens) 计算步骤：

2. 渲染：

四、Depth of Field（景深)

大光圈，小光圈 ==> 影响模糊范围。景深实际上是清晰的范围，，COC小就尽可能清晰。左图：弥散圈，右图：清晰锐利。

（一）Circle of Confusion for Depth of Field

（二）Depth of Field (FYI)

\(DOF=D_F- D_N\)

（三）DOF Demonstration (FYI)

这是一个网站，可以按照网站，调节参数，查看效果并计算数值：

PS：写到腰痛，还来个这玩意？我去(•́へ•́╬)