照相机成像原理

2020年6月15日13:05:45照相机成像原理已关闭评论 2,778

大家都知道生活中我们摄影离不开照相机,并且随着科学技术发展,时至今日市面上出现了性能优良、种类繁多的新型照相机,为摄影创作提供了更加便利的条件。为了方便大家对摄影技术的学习,这里需要介绍下照相机成像原理

照相机成像原理——“小孔成像”

用一个带有小孔的板遮挡在屏幕与物之间,屏幕上就会形成物的倒像,我们把这样的现象叫小孔成像。前后移动中间的板,像的大小也会随之发生变化。这种现象反映了光沿直线传播的性质。

照相机成像原理

照相机成像原理——小孔成像示意图

照相机成像原理——被摄景物反射出的光线通过照相镜头(摄景物镜)和控制曝光量的快门聚焦后,被摄景物在暗箱内的感光材料上形成潜像,经冲洗处理(即显影、定影)构成永久性的影像。

照相机成像原理

照相机成像原理——小孔成像示意图

当一束与凸透镜的主轴平行的光穿过凸透镜时,在凸透镜的另一侧会被凸透镜汇聚成一点,这一点叫做焦点,焦点到凸透镜光心的距离就叫这个凸透镜的焦距。一个凸透镜的两侧各有一个焦点。

理论上只有处于镜头焦点距离的景物是成像清晰的,而在焦点前后,光线开始聚焦和扩散,成像变的模糊,成像点形成一个扩大的圆:弥散圆(circle of confusion),而人眼的分辨能力有限,只有当弥散圆直径大到一定程度,我们才感觉到模糊,通俗的说,这一段“看起来清晰”的距离就是景深(Depth of Field)。

在焦点前后各有一个容许弥散圆,这两个弥散圆之间的距离称为焦深,对应在被拍摄点处即为景深,换言之,被摄物体前后景深距离内,呈现在成像平面(传统相机的感光元件是胶卷,数码相机的感光元件一般是CCD、CMOS传感器)上的影像模糊度都在容许弥散圆的限定范围内,如下图所示:

照相机成像原理

照相机成像原理——小孔成像模型示意图

影响景深的因素有镜头的焦距、光圈值、拍摄距离。光圈是相机镜头中可以改变中间孔大小的机械装置,如下图所示。

照相机成像原理

照相机成像原理——光圈示意图

其对于相机成像主要有两方面的作用:控制进光量和景深。光圈对景深的影响如下图所示:

照相机成像原理

照相机成像原理——光圈对景深的影响

控制其他条件不变,三者对景深的影响总结如下:

光圈越大,景深越小,适合做背景虚化效果,如人像;反之光圈越小,景深越大。

焦距对景深也有影响,通常焦距越大,景深越小,如长焦镜头的景深比较小,而广角镜头的景深都比较大。

拍摄距离越远,景深越大;距离越近,景深越小。

照相机成像原理中两个容易混淆的概念:

照相机成像原理

照相机成像原理——对焦示意图

对焦:就是改变镜头(光学中心)到成像平面之间的距离,也就是像距。用于调整成像的虚实,达到使影像清晰的目的,变焦时可以看到镜头伸长或缩小。

变焦:改变镜头的焦距,可以让不同远近的物体,聚焦到底片上形成清晰的影像。镜头焦距的改变,是通过镜头内部镜片的变动来实现,其光学中心到底片的距离不变,因此镜头不会伸长或缩短。

在计算机视觉应用中,由于拍摄景深的限制,对空间中不同物距景物清晰采样前需要进行对焦操作,而对焦过程将稍微改变镜头到成像平面的距离,使得相机内参发生变化。

照相机成像原理

光圈示意图

之前说光圈可以控制进光量,快门也可以,光圈从空间上限制进光面积来控制进光量,而快门则是从曝光时间上来控制。

可以简单地理解为:快门挡在镜头或底片前,平时处于关闭状态,成像时快门打开一段时间再关闭,完成成像,这个快门打开的时间就是快门时间,通常以1/N秒为单位。

快门除了可以控制进光量从而影响照片曝光,还可以制造一些特别的拍照效果,快门时间太长会导致图像太亮,即过曝;快门时间太短会导致图像太暗,即欠曝。

对SLAM应用来讲,在保证图像质量的前提下,曝光时间尽量短是一件好事,可以减少卷帘快门(Rolling shutter)造成的“果冻效应”和传感器因时间不同步带来的误差。

照相机成像原理

照相机按钮功能示意图

我们观察手上的照相机的时候,从外观看上去,那么多按钮、数字、开关。新手一定会觉得十分复杂,其实前面我们“在照相机的基本部件和工作原理”的章节中已经介绍过再高级的相机都是由镜头和机身这两样最基本的部件组成,这里要补充说的,无论再复杂的照相机成像原理是一样的。