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•́╬)

posted @ 2020-04-15 23:19  Someday&Li  阅读(595)  评论(0编辑  收藏  举报