19.相机，棱镜和光场

一、成像方法

Imaging = Synthesis + Capture

1.Synthesis（图形学上）合成：比如之前学过的光线追踪或者光栅化

2.Capture（捕捉）：把真实世界存在的东西捕捉成为照片

二、相机

1.小孔成像

利用小孔成像的相机叫做针孔相机
相机的各个部位

- 快门（Shutter）：控制光进入相机
- 传感器（Sensor）：捕捉光并记录下来（记录 Irradiance）
如果没有透镜，相机就拍不了了
因为如果直接把感光元件放在一个人的面前，感光元件上任何一个点都可能收集到不同方向过来的光，而且作为传感器的它不会区分来自各个方向的光线，所以会糊

针孔相机拍出的东西是没有深度可言的
也就是任何地方都是锐利清楚的，都不会是虚化的
因为透镜的存在所以会产生虚化，这个之后会提到
并且我们之前做光线追踪的时候用的就是针孔相机的模型，所以我们也得不到景深的模糊效果
所以如果我们可以模拟光线和透镜的作用，那么我们也可以作出景深的渲染效果

2.FOV（field of view 视场）

视场说的是能看到多大的范围
h: 传感器高度（宽度）
f: 焦距，传感器与透镜/小孔的距离

同样大小的传感器，焦距越大，视场越窄
同样焦距，传感器越大，视场越宽
同样视场，焦距和传感器等比

-焦距（Focal Length）

- 历史原因，通常以35mm的胶片为基准（eg.17mm为广角）
- 手机对应的基准会小很多（等效为35mm）

-传感器大小（Sensor Size）

- 区分传感器和胶片：传感器记录收到的Irradiance；胶片是存成图像格式

3.Exposure 曝光

曝光记录的是总共的能量，是T×E
曝光时间T由快门控制
Irradiance（E）由光圈与焦距决定

影响照片亮度的三要素：光圈、快门、感光度

三者的关系：

光圈

光圈是个挡光的东西，有大小，由F数控制，光圈是一种仿生学的设计，仿照人的瞳孔放大缩小

F-Number (F-Stop)：描述光圈的大小
- 有两种写法：FN or F/N（这些不重要，重要的是N）

快门

快门：控制光通过的时间（我们关心从关闭到打开的过程）
- 两个现象

更长的曝光时间/更快的物体运动速度容易造成运动模糊
类似于在时间上采样

快门开启需要时间，这个会造成高速运动物体的扭曲，比如下图飞机的螺旋桨

ISO gain（感光度）

ISO ：可以理解为乘了一个数（就是一个简单的增倍eg.ISO200就是ISO100的两倍）
ISO做简单放大的同时也会放大噪声，所以当倍数过大的时候可能会造成图片上很多白点

进光量～F-Stop² / Shutter Speed
（F数理解为直径分之一，与面积是平方关系，所以为了曝光量平衡，与快门速度也是平方关系）
即使比例关系做对了
但是大光圈会有浅景深的效果，快门时间会导致运动模糊等效果，需要权衡

应用：
高速摄影，每秒极高帧率，快门时间受限需要用更大光圈或者高ISO
延时摄影，快门时间很长，光圈变小
萤火虫长时间的飞构成了图片

三、透镜

真实的透镜并不那么理想，有些透镜无法将光线聚于一点出现 Aberrations

理想化的透镜：

所有进入透镜的平行光线都通过透镜的焦点
穿过焦点的所有光线在通过透镜后将是平行的
焦距可以任意改变（实际上用透镜组改变焦距)

1 薄透镜方程

定义：zo（物距） zi（像距）f（焦距）

1/f =1/zi + 1/zo

推导过程：

2.Defocus Blur（焦散模糊） ——景深的原因

为了解释景深，我们引入Circle of Confusion (CoC)
左边有一个Focal Plane，其上的东西会成像到Sensor Plane上
如果Object不在Focal Plane上，如下图可能会聚焦在Image上，然后光线继续传播到Sensor Plane上，这时候在Sensor Plane上形成的圆就是CoC(根据焦距和物距像距的关系公式）

Coc的形成原因就是一个点经过透镜后变成一个圆