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相机(Camera)
- 视场(FOV,Field of View)
- - 确定传感器大小
  - 确定焦距
曝光(Exposure)
- ISO(Gain)
- F-Number(F-Stop,曝光等级)
- 快门
- - 机械快门(Physical Shutter)
  - 滚动快门(Rolling Shutter)
- Fast and Slow Photography
- - 高速摄影(High-Speed Photography)
  - 延时摄影(Long-Exposure Photography)
薄透镜近似(Thin Lens Approximation)
- 薄透镜公式(The Thin Lens Equation)
- 散焦模糊(Defocus Blur)
- 再次讨论F-Number
- 光线追踪中使用理想透镜(Ray Tracing Ideal Thin Lenses)
景深(Depth of Field)

我们从成像开始说起，图形学中成像有两种方式：光栅化和光线追踪

相机(Camera)

最早的相机就是利用“小孔成像”原理，后面发明了 “针孔相机”。

快门用于控制进入相机的时间，快门示意图：
传感器在曝光过程中可以捕捉光并将信息，另外，每个传感器的点只能记录Irradiance，不会记录 radiance。但目前随着科技发展，最新的一些传感器可以通过方向性的光分开传感分开记录。这里只考虑以前的相机。

如果只有传感器，没有透镜行不行？
不行，如果直接把传感器放到物体面前，那么成像平面上每个点会收到物体各个方向反射过来的光，一般的传感器本身只记录了irradiance信息，无法区分来自不同方向的光, 这样每个点就长得一样了。

针孔相机无法拍出东西的深度，任何地方都是清楚的，不会有虚化。

视场(FOV,Field of View)

视场FOV：所谓视场，就是能看到多大的范围（我们常说的广角相机就是FOV比较大的一类相机）
焦距f：传感器和小孔的距离。
传感器大小h

我们要讨论的问题是，什么因素决定了FOV的大小。
根据上面的描述可以知道，视场FOV与焦距f和传感器大小h有关。

确定传感器大小

市面上通常都是确定完传感器的大小后，通过定义焦距的大小来决定FOV的值。

比如下图，图片都是站在同一个地方拍的，不同的是视场的大小。

确定焦距

显然，如果可以改变传感器大小，那么当焦距一样时，大一点的传感器自然FOV会更大。

曝光(Exposure)

H：曝光(Exposure)；
T：曝光时间(按住快门的时间)；
E：单位时间进来的光。

摄影中影响曝光的因素：

光圈大小(Apeture size)
光圈其实就是一种控制光线入射量的工具，是一种仿生学工具。模仿的是动物的瞳孔，在亮的地方光圈小，减少光的进入量，防止灼伤视网膜；在暗的地方光圈大，增加光的进入量，使图像尽量清楚。
而f-stop数则是用来控制光圈的大小，这个数后面再详细讲。
快门速度(Shutter speed)
快门开放的时间。
感光度(ISO gain)
是一个后期处理。是指在原来的图像上，乘以多少倍数。这样的效果是放大信号（变亮），但也同时放大了噪声。

从上到下三行分别是 f-stop；shutter speed；iso gain 对曝光的影响.

ISO(Gain)

一种线性的增益。
增加ISO可以增加曝光度，但是也会放大噪声

下图可以明显地观察到随着ISO的增大，噪点逐渐明显。

F-Number(F-Stop,曝光等级)

F-Number通常写成 FN 或者 F/N。不管怎么写，目前需要的只有N。

f数，也就是光圈直径的倒数(1/光圈直径)，光圈越小f数越大

快门

机械快门(Physical Shutter)

运动模糊：快门打开的时间较长、物体运动速度较快或者手抖，会导致最终照片的模糊/扭曲。因为进入到快门的光都会被传感器感应并记录下来，然后传感器起到一个平均的作用，就会产生模糊。
可以说模糊在某种程度上能表现出速度。

所以快门打开的时间短，进入的光线就少，时间也短，运动模糊的影响就小，就能有个比较清晰的动作，但是相对应的，亮度也就小。要解决亮度问题就只能调高ISO或者增加曝光时间。

运动模糊不总是坏事：

可以让人视觉上有快速运动的感觉，能捕捉到物体运动的轨迹。
在不同的时间对物体所在的位置进行了采样，这就与之前提到过的反走样(anti-aliasing)很相似。有着反走样的效果。

滚动快门(Rolling Shutter)

机械快门是机械控制快门的开关闭，所以必然存在着一个开关快门的速度，当拍摄物体速度快于打开快门的速度，拍摄就会出现问题。对于超高速的运动物体，不同时间的光会造成扭曲现象，称为Rolling Shutter。

开关快门如下图所示：

图像上不同的位置，记录的是不同时间快门进来的光。如下图飞机的扭曲螺旋桨：

表格中的每一列差不多都能达到相同的曝光度(f数是光圈直径的倒数)，但是拍出来的照片效果并不一样：

摄影师必须权衡景深(景深)和运动模糊的偏向。二者不可兼得。

Fast and Slow Photography

高速摄影(High-Speed Photography)

帧率高，快门时间受限需要用更大光圈或者高ISO。

可以用于拍摄比较有连续性的效果。

延时摄影(Long-Exposure Photography)

小光圈长时间，延时摄影效果，在摄影界被称为 “拉丝” 效果。(打开快门的时间内，物体进行剧烈的运动，都被记录了下来)

薄透镜近似(Thin Lens Approximation)

一般的相机都会配一组透镜：

目前的相机都是用透镜组来构成相机镜头。真实的透镜并不是理想的，有些透镜无法将光线汇聚到一点。

理想的透镜应该像下图一样，所有的光线能聚焦于一点：

进入透镜的所有平行光线都会通过其焦点。
所有通过焦点的光线在通过透镜后将平行。
焦距可以任意改变（事实上，是的！）

薄透镜公式(The Thin Lens Equation)

从任何一方想穿过棱镜中心，他的方向都不会发生改变。
Zo：物距，物体到棱镜的垂直距离。
Zi：像距：物体成像后的像到棱镜的垂直距离。
f：透镜的焦距。

散焦模糊(Defocus Blur)

可用于解释景深。

为解释模糊，引入一个概念：Circle of Confusion(CoC)。

Zi：像距；
Zs：成的像与透镜的距离。

左边有一个Focal Plane，其上的东西会成像到Sensor Plane上；Object不在Focal Plane上，可能会聚焦在Image上，然后光线继续传播到Sensor Plane上形成一个圆，这时候在Sensor Plane上形成的圆就是CoC。

由CoC得知，看到的东西是否模糊，取决于光圈的大小，大光圈容易有模糊的效果。

再次讨论F-Number

之前f数用光圈直径的倒数来描述是不准确的。

F数的定义应该是焦距除以光圈直径。

N：f数
f：焦距
A：光圈直径

弥散圈(CoC)和f-stop有反比关系，效果表示如下：

光线追踪中使用理想透镜(Ray Tracing Ideal Thin Lenses)

以前的光线追踪中，相机是一个小点，往一个像素中心连，默认是小孔成像的原理。
模拟薄透镜可以做出景深的效果。

设置场景中的参数：

首先确定Sensor有一定的大小，也就是成像平面的区域，同时确定透镜本身的属性：焦距和光圈的大小。
定义透镜的位置，即物距Zo。(这步就可以知道像距是多少)

渲染：

对于sensor上的每一个像素点x‘；
在透镜上随机取样点x’’；
将上面两点连线后，根据透镜性质得知光线可以传播到x’"；
估计x"到x"'光线上的radiance。

景深(Depth of Field)

下面两张图就是用的不同的光圈大小拍摄出来的照片，可以看见模糊的地方。

大的光圈对应大的CoC，得到的一个点会变成一个更大的圆，就会更模糊。

所以光圈的大小会影响模糊的范围。

有光经过透镜(Lens)，然后打到某个成像平面，在这个成像平面附近的一段距离区域内，都认为这个CoC足够小。

景深: 在这个场景中，有一段深度(景深)，这段深度经过透镜之后，会在成像平面的附近形成一段区域，在这段区域内，认为CoC都是足够小的。

在某段区域内CoC很小的一个范围内对应的那个场景是清晰的。
CoC比像素小或者比较小，成像出来就是清晰的。

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