GAMES101 学习19——相机、透镜、光场

一、成像方法

Imaging = Synthesis + Capture

1. Synthesis（合成，图形学上）
   ①光栅化
   ②光纤追踪
2. Capture（捕捉）

二、相机

2.1 小孔成像

针孔相机成像（上）和棱镜成像（下）

• 小孔成像是针孔camera的成像原理

• 相机的各个部位

  • 快门（Shutter）
    

  • 传感器（Sensor） 用来记录Irradiance
    

• 为什么没有透镜，相机就成不了像？
  因为如果直接把感光元件放在一个人的面前，感光元件上任何一个点都可能收集到不同方向过来的光，而且作为传感器的它不会区分来自各个方向的光线，所以会糊

• 分析针孔camera的原理 得到→ 拍到的都没有深度（都锐利，无需化）

2.2 FOV（field of view 视场）

• 定义：高度 h ＆ 焦距 f
  FOV=2arctan（h/2f）

2.2.1 焦距（Focal Length）

历史原因，通常以35mm的胶片为基准（eg.17mm为广角）
手机对应的基准会小很多（等效为35mm）

2.2.2 传感器大小（Sensor Size）

FOV其实是受两个因素影响的，除了 焦距 还有传感器大小，前面分析焦距对FOV影响的时候，固定了传感器大小，下面来看 传感器大小对FOV的影响，显然，如果可以改变传感器大小，那么当焦距一样时，大一点的传感器自然FOV会更大。

注意：传感器的胶片其实不是一回事（sensor 和 film），传感器负责记录每个像素接收的irradiance；最后保存在胶片上-和胶片上的点有个一个一一对应关系，通过胶片可以决定图片存成什么格式

如果传感器减小，要保持FOV的大小，那就适当缩短焦距（如下图）

2.3 Exposure 曝光

• 一些定义
  

• 哪些因素影响成片亮与否？
  
  

2.3.1 Aperture size(光圈的大小)

光圈是个仿生学设计，原理参照人的瞳孔（外界光线强的时候，瞳孔会自动小一些，不让那么多光进来灼伤视网膜）
F-Number (F-Stop)：描述光圈的大小
有两种写法：FN or F/N（这些不重要，我们关心的是N）

2.3.2 快门速度

快门：控制光通过的时间（我们关心从关闭到打开的过程），快门速度越大，开放时间就越短-意味着进入的光越少
两个现象

• Motion blur（运动模糊）：快门开的时候在一个位置，关的时候在另外一个位置 → 平均 → 模糊（长曝光时间，模糊越严重）
  

从运动模糊理解采样＆走样：相当于在时间上采样

• Rolling shutter：高速运动的情况下，拍出来会扭曲（原因：不同位置记录了不同的时间）
  

2.3.3 ISO gain（感光度）

ISO ：可以理解为乘了一个数（就是一个简单的增倍eg.ISO200就是ISO100的两倍）
理解成一个后期处理，当感光元件已经感知到了一定的光，后期可以再乘上一个值进行放大,影响最后图片的亮度

放大图像的同时也会放大噪声

光圈和快门的总结：
//表格上下对应可以达到同样的曝光度 （真的完全一样吗？）
→ 不是 大光圈会有景深 快门时间会导致运动模糊

4.快门time的应用：高速摄影和延时摄影

三、透镜

3.1 Thin Lens Approximation薄透镜近似

（1）从镜头说起：理想的薄透镜 → 焦点
（默认：①过焦点会变成平行光；②平行光一定过焦点）

（2）假设我们可以任意改焦距
透镜满足的物理规律：①上边默认的 ② 从中心过不会改变方向
透镜方程 ：
定义：zo（物距） zi（像距） 1/f =1/zi + 1/zo

3.1.2 高斯射线图

可以推导出上述透镜公式

3.2 Defocus Blur （焦散模糊 - 可以解释景深）

3.2.1 CoC（Circle of Confusion）

当物体远离Focal Plane，原本的一个点落在sensor plane上就会变成一个圆，这个圆就被称为 circle of confusion，如下图，它和光圈大小有比例关系

更大的光圈可以看到更模糊的成像

光圈的定义 ：焦距/光圈的直径
N=f/D
相当于把 光圈大小 、 F数 、焦距 三者联系到了一块

CoC 和 N成反比

3.3 追中的理想薄透镜（模拟薄透镜）

以前的光线追踪中，相机是一个小点，默认小孔成像。
模拟薄透镜可以做出景深的效果。

定义属性：

定义sensor的大小，透镜的属性（焦距，光圈大小），
定义透镜的位置，即物距z_0

渲染：

• 对于sensor上的点x’
• 在透镜上随机取样点x’’
• 将上面两点连线后，根据透镜性质得知光线可以传播到x’’’
• 估计x’’'到x’的radiance

3.4 Depth of Field景深

用不同大小的光圈可以控制模糊的范围。
景深对应的就是CoC小的那一段，这段是清晰的。
真实场景中有一段深度（景深）经过透镜会在成像平面附近形成一段区域，这段区域内认为CoC是足够小的。这段就是清晰的。
可以简单理解成只要CoC比像素小或者差不多，画面就是清晰的。

Depth of Field（FYI）
我们希望把DF DN DS dF dS dN 联系起来（深度和焦距联系起来）
DOF = DF - DN