对图像畸变的理解

成像原理

首先，我们要理解一下光线在摄影过程中的角色。当我们拍摄一个物体时，每个点上的光线都会被镜头接收并投射到相机的成像平面（例如胶片或数字传感器）上。理想的情况是，从物体的同一点反射出的所有光线应该在成像平面上汇聚在同一点。然而，由于各种原因，这个理想状态通常难以实现，导致光线无法精确地在成像平面上的同一点汇聚，从而产生了图像畸变。

不聚集的原因

那么，具体是什么因素会导致光线无法精确地汇聚呢？原因其实有很多。首先，镜头中心的光线和边缘的光线可能在不同的地方汇聚，这就会产生称为"径向畸变"的现象。其次，镜头的安装倾斜或者非理想的摄像头组装可能导致切向畸变。再次，光学元素的质量问题，如折射率的不均匀性，可能导致光学畸变。

在这里，我们需要特别强调的是，视场边缘的物体更容易出现畸变。这是因为对于视场边缘的物体，有更大比例的光线会通过镜头的边缘进入。这种大角度的光线，很大程度上会通过镜头的边缘，而镜头的边缘由于光线折射角度的改变、镜头材质的变化等因素，更可能引起光线的畸变。

即使这样，按道理，总是有部分反射光经过了镜头中心附近，到达了正确的位置了，为啥我们却只能看到畸变后的成像，而不是正确位置的成像？另外，畸变的图像位置原本应该也有正确物体的成像的吧，那个正确物体为啥不见了，而只有畸变的成像？跟强度有关。

理解一下直线场景

理解畸变的一个常用方式是观察拍摄直线对象时的效果。当我们拍摄建筑物或其它有直线的场景时，畸变的影响就显而易见了。

想象一下，我们拍摄一幢有许多直线边框的建筑物。理想情况下，这些直线在照片上应该保持直，但是由于径向畸变，这些直线可能会在照片上出现弯曲。这种现象在广角镜头中尤其明显，镜头边缘的直线可能出现向外（桶形畸变）或向内（枕形畸变）弯曲的现象。

这是因为，从建筑物的直线边缘反射出的光线，会通过镜头的不同部位，包括镜头的中心和边缘，投射到成像平面上。正如我们前面所讨论的，由于镜头的设计和制造因素，边缘的光线可能在成像平面上的位置偏离了预期位置，从而形成了弯曲的图像。

同时，这种偏离的程度可能随着光线入射的角度变大而变大，也就是说，离镜头中心越远的边缘光线可能偏离得越厉害。结果就是，在照片中，建筑物的直线边框可能在靠近图像边缘的地方弯曲得更厉害，形成了明显的桶形或枕形畸变。

会掩盖正确的成像吗？

此外，如果这种偏离较大，使得这些光线在成像平面的这个偏离位置上形成的像点的亮度超过了原本应该在那里的像点的亮度，那么在我们看到的图像上，就会出现这个偏离位置的像点，而不是原本应该在那里的像点。这就进一步强化了我们看到畸变效果的可能性。

为了更好地理解光线偏离和亮度的关系，我们可以想象一下拍摄一颗明亮的星星的情况。在理想情况下，星星作为一个远离我们的光源，我们看到的应该是一个点。然而，如果我们使用了一个有畸变的镜头，情况就可能会不同了。

假设我们使用的镜头在边缘处有畸变，那么从星星发出的光线就可能在通过镜头的边缘时产生偏离。这会导致这些光线在成像平面上形成的像点位置偏离了应该在的位置，形成一个所谓的"星斑"，也就是一个比原本应该的位置更大、更模糊的点。

此外，由于镜头边缘的光线可能会汇聚在一个比中心光线更小的区域，这些边缘光线形成的像点的亮度可能会超过原本应该在那个位置的像点的亮度。这就是为什么，尽管星星本身是一个点，但在照片上我们看到的可能是一个更大、更亮的点。

进一步地，假设我们拍摄的是一个星空，背景是深蓝色的夜空，前景是明亮的星星。由于镜头的畸变，星星的光线可能会在成像平面上偏离原本的位置，形成一个更亮的点。同时，这个点可能会覆盖原本应该在那个位置的深蓝色的夜空的像点。在最终的照片中，我们看到的可能是一个亮点，而不是深蓝色的夜空，这就是原本的像点被掩盖的现象。

这个例子展示了光线偏离如何增强我们看到的畸变效果，并影响我们看到的亮度。这种现象不仅会改变我们对于物体形状的感知，还会改变我们对于物体亮度的感知，进一步强化了畸变的影响。

因此，畸变是由于光线在通过镜头和打在成像平面上的过程中发生的改变。虽然每个点发出的光线都经过镜头并在感光元件上形成图像，但我们实际看到的是这些光线强度的加权平均。由于镜头边缘的光线比镜头中心的光线多，所以在视场边缘的物体可能出现更明显的畸变。

所以，一种常见的摄影技巧就是尽量将拍摄的主体置于视场的中心，因为这样可以减少因为镜头边缘引起的畸变。然后在后期处理中，可以使用图像处理软件来校正这些畸变，从而得到更准确的图像。