图形学笔记十五 Cameras, Lenses and Light Fields

参考课程:
https://www.bilibili.com/video/BV1X7411F744?p=19

一、

我们之前讲了两种成像方法,一种是光栅化成像,一种是光线追踪成像,但其实这都相当于是用合成的方法来成像。我们不止可以用合成的方法,我们还可以用捕捉的方法来成像。

1.针孔相机

利用小孔成像原理制作的相机就是针孔相机,在后面的学习后,我们会了解到,针孔相机拍出的东西是没有深度可言的。也就是任何地方都是锐利清楚的,都不会是虚化的。

因为透镜的存在所以会产生虚化,这个之后会提到。并且我们之前做光线追踪的时候用的就是针孔相机的模型,所以我们也得不到景深的模糊效果。所以如果我们可以模拟光线和透镜的作用,那么我们也可以作出景深的渲染效果。

2.Effect of Focal Lenth on FOV
image.png

视场说的是能看到多大的范围
h: 传感器高度(宽度)
f: 焦距,传感器与 透镜/小孔 的距离

不同的视场有不同的拍照结果,我们知道视场大小与 传感器大小以及焦距有关系,有两个因素的话,我们定义视场不太好定义。

所以现实中人们是以35mm的胶片为基准,通过定义焦距来定义视场,所以市场上买单反镜头的时候有焦距的区别。对于超薄的手机来说,它说的焦距实际上还是对应在35mm的胶片为基准的换算后相对的等效焦距。

同样大小的传感器,焦距越大,视场越窄;同样焦距,传感器越大,视场越宽。

3.传感器Sensor和胶片Film

目前来说当成一样的。

4.曝光 Exposure

曝光记录的是总共的能量,是T×E
曝光时间T由快门shutter控制
Irradiance(E)由光圈aperture与焦距focal length决定

image.png

控制照片亮与不亮的三要素:光圈、快门、感光度

  • 光圈是个挡光的东西,有大小,由F数控制,光圈是一种仿生学的设计,仿照人的瞳孔放大缩小
  • 快门速度是快门开放的时间
  • 感光度是后期处理,接受到多少光加个倍数,在硬件上调整是调节传感器灵敏度,或者软件上调整数字信号
5.ISO

做放大时可以提升曝光度,但同时也会放大噪声。

6.光圈

用F数表示光圈,我们暂时简单理解F数为光圈直径的导数

7.快门

机械式快门开启需要时间,这个会造成高速运动物体的扭曲。

8.薄透镜近似

目前的相机都用透镜组来控制成像


image.png
9.Circle of Confusion (CoC)
image.png

为了解释景深,我们引入Circle of Confusion (CoC)。
左边有一个Focal Plane,其上的东西会成像到Sensor Plane上。如果Object不在Focal Plane上,如下图可能会聚焦在Image上,然后光线继续传播到Sensor Plane上,这时候在Sensor Plane上形成的圆就是CoC


image.png

CoC告诉我们看到的东西模糊不模糊,取决于光圈的大小,大光圈容易有模糊的效果。

10.F数

因为说CoC大小与光圈成正比,所以我们回头看光圈。之前我们说F数它是直径分之一,其实不对,F数的明确定义是焦距除以直径。

11.在光线追踪中使用薄透镜近似
image.png
12.景深 Depth of Field

经过以上的学习,我们可以来正式定义景深的概念

13.光场 Light Field / Lumigraph

Light Field / Lumigraph 两个词指同一东西,属于历史遗留问题,是由两个组独立几乎同时发现的同样东西,叫法不一样

14.全光函数 The Plenoptic Function
15.采样全光函数 Sampling Plenoptic Function
16.光场相机
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