games101-19-Cameras

成像

1.存在的物体：捕捉

2.不存在的合成的物体：光栅化和光追

​ 传感器用于捕捉并记录光。

​ 感光元件不能直接与光源接触，感光元件不区分来自各个方向的光，所以感光元件上任意一个点都会混合来自各个方向的光。

​ 针孔相机拍出来的结果不会出现虚化。

FOV视场

​ 视场分为水平和竖直，此处以竖直为例，并且此处不考虑棱镜只考虑针孔摄像机。视场大小受传感器的大小和传感器与小孔的距离也就是焦距影响。市场对于焦距的定义，都是以传感器35mm为标准。在此标准下，每一个焦距都对应一个视场：17mm-104°；50mm-47°；200mm-12°。以手机为例，如果手机写的焦距为28mm（然而手机厚度并没有28mm，实际焦距会更小），手机通过减小传感器大小，来等效35mm传感器28mm焦距的视场。

​ 传感器大小不变的情况下焦距越长，可视范围越小，对于相同大小的图片相当于把远处的物体拉大。（焦距不变的情况下，传感器越小，视场越小）实际上传感器用于记录光的信息，胶片用于将信息保存为指定格式，此处不做严格区分。

Exposure曝光

​ 曝光度=进来多少光（光圈-F数）*光进来多长时间（快门-Shutter speed（越快，开放时间越短））

ISO感光度

​ ISO也会影响曝光度，可以理解为是后期处理 ，将接收到的光*某个数 。如对于一张暗图乘以某个数，然后使图更亮。任何信号都会存在噪声，对整个信息乘以一个很大的数，在放大信号的同时也放大了噪声。（将光理解为光子，简单理解是快门不够，进入传感器的光子少，光子少会产生噪声）ISO是线性的，ISO200一定是ISO100的两倍。

快门

​ 快门会发生运动模糊的现象(关心从关闭到打开的过程)。加入快门的开放时间是t，在t/3时运动运动位置为A，在t/2时物体运动位置为B，物体运动的中间过程都会被传感器记录，传感器将记录结果平均，形成模糊。如果快门时间更长，物体在这段时间内的运动过程更长，结果就越模糊。如果快门时间不变，物体运动越快，越容易模糊。较小快门时间可以减轻模糊，但也会减小曝光度（调ISO或者光圈）。

​ 运动模糊存在一定的反走样效果。因为快门打开需要时间，所以会导致不同的地方记录不同时间的图像，出现了螺旋桨扭曲。

​ 减少曝光时间，就会减小曝光度，需要调大光圈，即减小F数。如下图每一列的F数和快门时间可以基本达到相同的曝光度。但是拍照结果不太一样，大光圈即小F数会有景深现象，长快门时间会有运动模糊，所以运动模糊和景深不能同时发生。

​ 高速摄影（更大光圈或者更大ISO）：

​ 延时摄影（小光圈，用更长的曝光时间记录物体的运动过程(运动模糊)）：

透镜

​ 实际的透镜很复杂，此处研究理想化薄透镜（不考虑透镜的厚度）。对于平行射入透镜的光，射出透镜会聚焦到一个点，该点为焦点，焦点到透镜中心的距离为焦距。反之如果摄入透镜的光线经过焦点，射出时会变成平行于透镜的光。任意一个过透镜中心的光线，射出透镜时不会改变方向。（假设可以任意改变焦距（现代技术通过多个透镜的组合模拟一个可以任意改变焦距的薄透镜））

​ z0物距，zi像距，f焦距。通过相似三角形推三者关系。

模糊现象及F数

​ 假设物体在focal plane，最后会在sensor plane有一个清晰的成像。如果物体在focal plane后面的object，清晰的成像位置一定在sensor plane之前的image处。如果还是想在sensor plane上成像，光穿过iamge会继续传播，最后一个点会在sensor plane上呈现出一个区域而不是一个点（coc）。coc大小计算如下：

​ F数的写法：FN或者F/N，N即F数，F数的值为焦距/光圈的直径。在zs和zi不变的情况下，coc的大小受光圈大小的影响。F数越小，光圈越大，模糊越明显。光圈越小越接近小孔成像，形成的图像清晰范围越大，景深就越大。

利用薄棱镜渲染

​ 定义成像平面的大小，定义薄棱镜的大小和焦距，定义物距z0，可以计算出像距zi。在成像平面上选一点x’，连接透镜上一点x’’，根据光经过透镜中心方向不变的性质可以找到x’x’’光线穿过透镜后会到物体的点x’’’。那么此时就找到了一条到成像平面某一点的光线，从而计算成像平面上某一点的值。

景深

​ 光圈会影响模糊的范围。在清晰的成像平面附近一小段距离的coc非常小，可以认为这个范围内的成像都是清晰的。

​ 如下右边蓝色区域为可以认为是清晰的成像区域，左边蓝色的区域为景深。物距、 焦距和光圈都会影响景深的范围。