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

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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。

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。

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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