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GAMES101-Lecture 19 Cameras, Lenses and Light Fields

Pinhole Image Formation

  • 针孔相机没有深度,每个地方都是清晰的,看不到虚化的地方

  • 光线追踪的时候用的就是针孔摄像机的原理,所以就没有景深的效果

Field of View(FOV) 视场

Effect of Focal Length on FOV

  • fov和传感器大小和焦距有关,但默认传感器是有一个固定的大小,也就是说焦距是按照35mm的胶片(film)(也可以说是传感器)去定义的,其实传感器可能大小不同,但焦距都是按35mm的胶片去定义的

  • 更长的焦距对应更小更远的视场

pPpxKEV.jpg

Effect of Sensor Size on FOV

  • 更大的传感器,对应更大更近的视场

  • 传感器sensor和胶片film区分:

    • sensor吸收irradiance

    • film用来决定最后存成什么样的格式

pPpxmBq.jpg

Exposure

  • H = T * E

  • Exposure(H)= time(T) * irradiance(E)

  • 快门控制进光时间

  • 光圈大小和焦距会影响到irradiance

pPpxMNT.jpg

Exposure Controls

  • Aperture size光圈大小:改变光圈大小来改变f-stop

  • Shutter Speed快门速度:改变快门速度来改变感光时间

  • ISO gain感光度:后期处理,增加最后图片的曝光,可以调整硬件也可以调整软件,简单放大信号会同时放大噪声

  • 为什么会有噪声,感光时间不足,光子就不足,就会产生noise

ISO

  • 线性增加

F-Number(F-Stop)

  • 不正式的理解:F数是光圈直径的倒数

Side Effect Shutter Speed

  • 会产生运动模糊

  • Rolling shutter:对于超级高速的东西产生扭曲

Constant Exposure: F-Stop vs Shutter Speed

pPpxQ4U.jpg

Thin Lens Approximation

pPpxnH0.jpg

  • 薄透镜近似

  • 使用透镜组来成像

  • 实际的透镜很复杂,不一定理想

  • 我们考虑的是理想化的透镜

pPp0IeS.jpg

  • 基本假设:

    • 平行光穿过透镜交于焦点

    • 过焦点的光穿过透镜会平行

    • 焦距可以修改(通过透镜组)

    • 穿过透镜中心的光线,方向不会改变

    • 焦距的倒数 = 相距的倒数 + 物距的倒数,也就是对于一个固定焦距的透镜来说,改变物距相距也一定会跟着改

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  • 通过相似三角形来获得上述的关系

  • 这个叫高斯定理,也叫薄透镜的定理

pPp0hsf.jpg

Defocus Blur

  • 和景深有关系了

Computing Circle of Confusion(CoC)

pPp0fQP.jpg

  • 物体的一个点根据薄透镜的定理,会成像到一个点,但是感光sensor Plane比那个成像点远的话,就会打成一片,也就成了一个圆

    • 如果其他都确定了,那么这个C和A(aperture)有关

    • CoC和光圈大小成正比

    • 所以大光圈就会有更模糊的效果

  • F数=焦距除以光圈的直径

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  • N = f/A

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Ray Tracing Ideal Thin Lenses

  • 就是在ray tracing中模拟透镜的模糊效果

Ray Tracing for Defocus Blur(Thin Lens)

  • 首先定义感光器大小、透镜焦距、透镜大小

pPp0yIH.jpg

  • 选择将透镜放在一个距离重拍摄平面Z0远的地方,也就是物距Z0

    • 自然可以计算出像距Zi,也就是sensor距离透镜的距离

    • 也就是下面$x\prime$点来自于$x\prime\prime -> x\prime\prime\prime$打的光线,交于着色点

pPp0Rzt.jpg

Depth of Field

  • 模糊是有一个范围

Circle of Confusion for Depth of Field

pPp0gJA.jpg

  • 景深就是指在实际的场景中有一段深度,这段深度在经过透镜后,会在成像平面附近形成一个区域,在这块区域,我们认为,产生的CoC都是足够小的

  • 可以通过公式将那个DoF解出来

pPp0cid.jpg

本文由作者按照 CC BY 4.0 进行授权