相机的一些基本概念


说起相机大家都比较熟悉,现在已经是手机的标配和卖点,而且做的非常便捷易用,随便按都能拍出不错的照片,但如果想更手动、更专业一点,或者将相机用于工业应用(如机器视觉、摄影测量等),还是需要了解一下成像方面的东西,本文力求通俗易懂,先介绍一些相机相关的基本概念。

1、景深

我们拍照片的时候常有“虚化”的效果,其实就是利用“景深”来突出重点:

上图只有中间部分是清晰的,远景和近景都模糊掉,原理上从下图可以理解

即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,比如上图的草地看起来中间一段都是清晰的,这一段“看起来清晰”的距离就是景深(Depth of Field)。
景深的”深、浅“、“大、小”就是指这个距离的“长、短”,影响景深的因素主要有光圈、焦距和拍摄距离,后面会提到,景深有前景深和后景深的区分,以及一些计算公式,对摄影感兴趣的可以研究研究。

2、光圈

如果把相机拍照理解成小孔成像,那么光圈就是小孔的大小,即光圈就是控制光线进入镜头面积的装置,经典的如采用叶片组的方式来实现:

光圈数值分母越大,表示光圈越小,光圈主要有两方面的作用:控制进光量和景深:
  • 进光量
这个容易理解,光圈越大,相同的快门,成像进来的光越多,照片就越亮,反之光圈越小照片越暗。
  • 景深
这个可以通过如下图理解:

即光圈越大,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。

3、快门

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。

如图子弹穿过灯泡的照片,需要极高的快门速度,而有些照片效果又需要长时间的快门才行,如城市的车流效果:

需要注意的是,当快门时间较长时,相机的抖动可能会造成成像模糊,使用三脚架是不错的选择。

4、焦距

焦距指镜头光学中心(主点)到成像平面的距离,平常说的长焦镜头就是指焦距较大的镜头,焦距是相机的重要参数,对成像有多方面的影响,首先是成像大小和视场角(FOV):焦距越大,成像越大,FOV越小:

因此,如果想从远距离拍摄野生动物,往往需要采用长焦镜头,而与长焦镜头对应的广角镜头,焦距小,能拍摄较大的场景,如建筑、风景等。
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。焦距还影响照片的透视效果,如下图:

可以看出,广角镜头下透视效果比较明显,人脸有一定变形,而长焦镜头下则没什么失真。

5、感光度

感光度表示的是底片或感光器件对光线的敏感度,常称为ISO(国际标准),对光线的敏感度也可理解为感光速度,感光度可以配合进光量来控制照片的曝光,比如光线不足时可以提高感光度以获得亮度足够的照片,但感光度越高,照片中的噪点也会相应增加,取决于器件的工艺质量。

6、色差


由于透镜对不同波长的折射率不同,相当于镜头对不同波长的光的焦距不同,特别是镜头的边缘处,从而会造成成像模糊。如下图,镜头中心的成像(左)色差不明显,而边缘处的成像则可以看到明显的色差现象。

7、畸变

畸变指真实成像点与理想成像点间的偏移,产生原因是镜头工艺的不完美,从而导致了不规则的折射。畸变有多种类型,如下图所示的枕形畸变和桶形畸变。后面相机标定部分会对畸变进行更详细的讨论。

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