目录

• 相机
• • 快门与传感器
  • 针孔相机
  • 视场 Field of View（FOV）
  • 曝光 Exposure
  • ISO
  • 光圈
  • 快门
• 薄透镜近似 Thin Lens Approximation
• • 薄透镜方程
  • Defocus Blur 散焦模糊
  • F数
  • 光线追踪中使用理想透镜 Ray Tracing Ideal Thin Lenses
• 景深 Depth of Field
• 光场 Light Field / Lumigraph
• • 全光函数 The Plenoptic Function
  • 光场
  • 光场相机

相机

相机的内部：

快门与传感器

快门控制光进入相机。
传感器捕捉光并记录下来。
如果没有透镜，感光元件上任何一个点都可能收集来自不同方向的光，且传感器不会区分，因此得不到真实的照片。

针孔相机

小孔成像：

利用小孔成像原理制作的相机即针孔相机。针孔相机无法拍出东西的深度，任何地方都是清楚的，不会有虚化。
之前做光线追踪基于针孔相机模型，所以得不到因为深度不同产生的模糊效果。
因此在渲染过程中如果模拟光线与透镜的作用，可以得到模糊虚化的效果。

视场 Field of View（FOV）

视场指可以看到的范围。视场与以下两个量有关：
h: 传感器的宽度
f：透镜的焦距，即传感器与透镜的距离

现实中，以35mm的胶片（传感器）为基准，通过焦距来定义视场。

• 同样大小的传感器，焦距越大，视场越窄
• 同样的焦距，传感器越大，视场越宽
  传感器Sensor与胶片Film通常是等价的，但在渲染器里，sensor收集Irradiance，film决定存储为什么格式。

相机与传感器：

曝光 Exposure

Exposure = time × irradiance， H = T × E H = T × E H=T×E

• 曝光时间( T T T)由快门决定
• Irradiance( E E E)
• 是落在单位面积的传感器上的光能
• 由镜头的光圈与焦距决定

控制照片亮度的三要素：

• 光圈大小（Aperture），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（Shutter speed）是快门开放的时间。
• 感光度（ISO gain）是后期处理，给接收到多少光加倍，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。

三者的关系如下：

F数越小，光圈越大；快门时间的单位为秒；ISO理解为倍数，给收到的能量加倍，一般加倍时会让噪声也加倍。

ISO

ISO是线性变化，相当于最终结果的增益。
放大的同时会放大噪声。

光圈

使用F数表示光圈，可理解为光圈直径的倒数。

快门

快门打开的时间较长，或者物体运动速度较快，会导致最终照片的模糊/扭曲。可以说模糊在某种程度上能表现出速度。

进光量与F数的平方成反比，与快门速度成反比

• F数是光圈直径的倒数，进光量与光圈面积成正比，因此与F数的平方成反比
• 快门速度越快，快门打开时间越短，进光量越少
  以下F数和快门在某程度上可以达到相同的效果：
  

但大光圈会有浅景深的效果，快门时间会导致运动模糊，因此两者需要权衡。

应用：

• 高速摄影：帧率高，快门时间受限需要用更大光圈或者高ISO
• 延时摄影：快门打开时间很长，光圈变小

薄透镜近似 Thin Lens Approximation

目前的相机都是用透镜组来构成相机镜头。真实的透镜并不是理想的，有些透镜无法将光线汇聚到一点。

我们研究理想化的透镜：

• 所有进入透镜的平行光最终与透镜焦点相交
• 穿过焦点的所有光线不改变方向
• 焦距可以任意改变
  

薄透镜方程

由以下相似三角形推导出

Defocus Blur 散焦模糊

为了解释景深，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；Object不在Focal Plane上，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。
CoC的大小与光圈大小成正比。

由CoC得知，看到的东西是否模糊，取决于光圈的大小，大光圈容易有模糊的效果。

F数

F数的定义是焦距除以光圈直径。
常见的真实镜头F数： 1.4, 2, 2.8, 4.0, 5.6, 8, 11, 16, 22, 32

CoC的大小与F数成反比

光线追踪中使用理想透镜 Ray Tracing Ideal Thin Lenses

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 z_0 z0​
  

渲染：

• 对于sensor上的点 x ′ x' x′
• 在透镜上随机取样点 x ′ ′ x'' 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 ′ ′ ′ x''' x′′′
• 估计 x ′ ′ ′ x''' x′′′到 x ′ x' x′的radiance
  
  主要是利用透镜公式来计算折射光线。

景深 Depth of Field

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。

利用景深的最远处和最近处，推导公式，把这些深度和焦距联系起来，即根据某个位置穿过透镜会到某个地方来推导。

光场 Light Field / Lumigraph

看到的世界在其实就是一张图，可以用一张图来模拟真实世界。

全光函数 The Plenoptic Function

可以描述人看到的东西

站在一个场景中，往四面八方看，用极坐标看的位置，全光函数定义了往某个方向看会看到什么值。

添加一个光的波长参数，这样可以定义一个彩色的世界。

再添加一个参数时间t，这就是电影。

添加人的位置坐标，使得人可以移动，这就是全息电影。

这也可以理解为整个世界，整个世界就是一个7维的函数。

光场

光场其实就是全光函数的一小部分。

先定义光线。
两点可以定义一条光线。

定义一条光线需要二维的位置和二维的方向。

将一个物体放在一个包围盒中，从任何位置和任何方向看这个物体。想描述物体所能被看到的多种情况，描述这个物体在包围盒上，在任何位置往任何方向获取的光线，写成一个函数。这个函数就记录了物体表面不同位置往各个方向的发光情况。
光场就是在任何位置往任何方向的光的强度。光场只是全光函数的一小部分，只包含二维位置（相当于uv坐标）和二维方向（θ，φ）。

把物体变成光场，记录下光场后也就相当于记录下了物体的观测。不需要知道物体的几何或者物体到底是什么，把物体当作黑盒也行，只需要知道光场就知道了观测。
可以用一个平面，平面上的二维坐标和二维方向定义光线，作为光场的参数。

可以用两个平面，各自任取两个二维点定义光线，从而定义光场。

两个平面的两个理解：

• 固定平面uv的点，看向所有的st可能点，相当于同一视觉看向世界的不同点，最终看到完整的物体。
• 固定平面st的点，即从不同uv点看向st的某一固定点，相当于在不同视觉看同一个物体，得到同一物体的不同角度。

苍蝇的眼睛叫复眼，就是在记录光场，在照片中任意的像素记录的是irradiance，不区分不同方向的光，但是复眼记录的是不同方向的光的分量，即radiance。
看一个像素，其实是在看穿过这个像素的不同方向的光。

光场相机

微透镜原理，使用微透镜将不同方向的光分开。
功能：先拍照，后期再重新聚焦。

光场照相机原理：光场。
普通相机中黄色的就是像素。光场照相机将像素变为微透镜，微透镜将不同方向的光分散开。
普通照相机记录一个像素，光场照相机计算一片像素。

怎样还原成普通的照片？
将每个透镜选择一条光线，将其结果记录为像素值。就相当于用相机拍摄特定方向的照片。通过取不同方向的光线可以虚拟的移动摄像机的位置。

重新聚焦的思想就是，聚焦后知道光线该怎么变化，然后去查询对应的光线的信息。

光场照相机的缺点：

• 分辨率不足
• 高成本，难设计
• 像素总个数和一个像素分成多少个方向需要权衡

标签：光场,光线,19,Light,快门,图形学,相机,光圈,透镜
来源： https://blog.csdn.net/almost_afei/article/details/114844382