相机成像原理详解

相机成像原理详解

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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（百度百科）。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，比如图 1的草地看起来中间一段都是清晰的，通俗的说，这一段“看起来清晰”的距离就是景深(Depth of Field)。

图 1 草地上看起来清晰的一段距离就是“景深”

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。小孔成像模型示意图如图 2所示。

图 2 透镜与小孔成像模型

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，如图 4所示。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图 3所示。

图 3光圈对景深的影响

图 4相机光圈示意图

控制其他条件不变，三者对景深的影响总结如下：

1. 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。
2. 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。
3. 拍摄距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。

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两个容易混淆的概念（经评论区提醒，已修改）：

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[1]。

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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rolling shutter造成的“果冻效应”和传感器因时间不同步带来的误差。

 

 

Reference：

[1]   周佳立, 贾禄帅, and 武敏, "适用于动态对焦的高精度灵活标定方法," 模式识别与人工智能, vol. 29, pp. 481-491, 2016.

https://yq.aliyun.com/articles/62472

http://www.360doc.com/content/18/0104/17/50354283_719051589.shtml