计算摄像技术01 - 摄像技术基础知识

一些计算摄像技术知识内容的整理:传统摄像技术中的快门和曝光、图像信号格式。

目录

一、传统摄像技术中的快门和曝光

(1)快门速度

(2)光圈

(3)景深

(4)曝光

二、图像信号格式

(1)JPEG

(2)TIFF

(3)RAW


一、传统摄像技术中的快门和曝光

曝光是照相机/摄像机的一个重要特性。曝光使得合适的光量进入感光器件,决定曝光的因素有两个,一个是快门速度(shutter speed),另一个是光圈(aperture)大小。

可总结关系为:

  • 曝光=时间(允许进入光线的时间)×光圈(允许进入光线的口径尺寸)

(1)快门速度

快门速度决定了感光器件的进光时间,基本上和曝光成线性关系。一般快门速度用(1/n)s 表示,即在 1s 的时间内曝光几次。n越大,则快门速度越高。典型的快门速度包括 (1/30)秒、(1/60)秒、(1/125)秒、(1/250)秒、(1/500)秒等。快门速度过低时高速运动的物体会产生拖影,表示接收光线量不足。

快门速度直接决定成像的清晰度。为了防止拍摄高速运动的物体时拍摄出来的照片模糊,应控制好快门速度,即安全的快门速度。

(2)光圈

光圈位于镜头的透镜组中间,可通过控制光圈孔径的开合控制镜头的通光量。最初的光圈只是一 系列大小不同的圆孔,这些圆孔排列在一个有中心轴的圆盘周围,转动圆盘后可将适当大小的圆孔移到光轴上,达到控制孔径的目的。其中,猫眼式光圈由两片有半椭圆形孔的金属薄片对排组成,相对移动即可形成大小不同的光圈。

现在一般采用虹膜式光圈,这种光圈由多个相互重叠的弧形薄金属叶片组成,叶片的离合能够改变中心圆形孔往的大小。弧形薄金属叶片可多达 18 片,弧形薄金属叶片越多,孔径越接近圆形,质量越好。

光圈大小一般用f值表示,其值由焦距除以有效孔径得出。另外还有一个f-stop值,是相机中调整f值的离散步长。f值是一个比值而不是一个有具体单位的数字,f值越小,则光圈越大。

典型的光圈大小包括f/1, f/1.4, f/2, f/2.8, f/4, f/5.6, f/8, f/11, f/16, f/22, f/32 等。

  • 如果我们有一个200毫米的镜头相机,光圈为f-4,那么有效孔径是多少?

f值为4,孔半径为:200/4 = 50 mm

类似地,如果我们知道相机的镜头和有效孔径,也可以计算f数。

(3)景深

在选择合适的光圈时,还有一项因素必须考虑,那就是景深。聚焦完成后,在焦点前后的一定范国内都能形成清晰的像,这个距离范围叫作景深。

景深是摄像中需要重点调整的一项参数。设备的像素大小一般是固定的,取决于CCD阵列,放大率m也并不能改变太多。能做出明显改变的只有光圈大小,由操作者在相机上调整。如果想拍摄远距离的物体,就需要调整景深。

在景深的讨论中,混淆圆(CoC,Circle of confusion)是很重要的一部分。CoC是一种光点,它是在对点光源成像时,由于透镜发出的光线锥没有达到完美的焦点而导致的。下图显示了各种大小的CoC。

计算摄像技术01 - 摄像技术基础知识_第1张图片

它们的大小是根据焦点(而不是按照比例)确定的。只有那些从景深内部投射的CoC,才是尖锐的。人类的眼睛无法很好地感知它们,因为它们形成了尖锐的点。我们看到的光线是从景深外投射出来的。当我们能够看到CoC时,成像是不清晰的。

影响景深的因素主要有:

1. 光圈大小。可总结为:

较小的f(较大的光圈)产生较浅的景深。

较大的f(较小的光圈)产生较深的景深。

2. 镜头焦距。可总结为:

镜头焦距越长,景深越小。

镜头焦距越短,景深越大。

3. 拍摄距离。可总结为:

镜头离被摄景物越近,景深越小。

镜头离被摄景物越远,景深越大。

计算摄像技术01 - 摄像技术基础知识_第2张图片 不同f值下的景深对比

(4)曝光

曝光主要是由光圈和快门两个因素决定的。选择合适的光圈和快门的配对组合,可以防止运动模糊和手抖动模糊。

  • 当需要控制景深时,必须设置为光圈优先模式。需要景深比较大时,把光圈调小;需要景深比较小时,把光圈调大。在光圈优先模式下,相机会自动配合快门的速度,可以进行清晰成像。
  • 当需要拍摄运动的物体时,必须设置为快门速度优先模式。类似地,照相机自动为用户选择的快门速度匹配合适大小的光圈。

二、图像信号格式

在数码相机或数码摄像机中,直接连接CCD/CMOS的是图像信号处理器 (image signal processor,ISP )。ISP 的主要作用是对前端图像传感器输出的信号做后期处理,主要功能包括自动曝光/自动白平衡、坏点去除、透镜阴影校正、去马赛克、颜色校正、伽马校正、边缘增强与3D降噪处理等。ISP处理水平在很大程度上决定了成像质量,在数码相机中,ISP 不仅负责上述处理,还负责图像数据的压缩与存储。

(1)JPEG

由于采集的图像数据量大,为了方便存储与传输,一般会采用 JPEG(joint photographic experts group)标准压缩算法将数码照相机拍摄出的图像压缩成JPEG 文件。不过,JPEG 是一种有损的压缩算法,一般情况下,只要不追求图像过于精细的品质,是完全满足应用需求的。JPEG通常的压缩比率为 10:1到40:1,这样JPEG可以节省很大一部分存储卡空问,增加图片拍摄的数量,并加快了照片存储的速度,也加快了连续拍摄的速度。
除此之外,一些高端的数码照相机可拍摄出TIFF (tagged image file format)格式和 RAW 格式的照片。

(2)TIFF

TIFF是一种非失真的压缩格式(一般是2~3倍的压缩比),扩展名为.tif。这种压缩格式的文件可完全还原,能保持原有图像的颜色和层次,图像质量好,但占用空间较大。

(3)RAW

RAW格式是很多数码相机保存图像使用的格式。数码相机中都会有一个ISP,负责对CCD/CMOS 输出的原始数据进行图像处理,并对处理后的图像数据进行压缩与存储。由于嵌入式芯片的 ISP 处理能力有限,有些用户希望后期能够按自己的意愿进行白平衡或其他色彩调节,于是就出现了 RAW 格式。

RAW 格式的文件不需要 ISP 进行处理,会直接保存从 CCD/CMOS 输出的原始图像数据,加上光圈、快门、焦距等数据。摄影师拿到这些数据后,可以在PC上使用图像处理软件任意调整色彩空间、锐化值、白平衡、对比度、降噪等,而且不会造成图像质量的损失,保持了图像的品质。由于 RAW 格式能够保存每个像素点更深的数字深度,所以为摄影师的创作留下了很大的空间,摄影师通过后期对图像色彩的调节,丰富了图片的层次,使其色彩更加细腻。RAW 格式的文件大小也只有相对应的 TIFF 文件的 50%左右,从存储空间节省上讲要比 TIFF 有明显的优势。


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