相機(jī)成像原理四問(wèn)
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經(jīng)典好文推薦，通過(guò)閱讀本文，您將收獲以下知識(shí)點(diǎn):
一、相機(jī)是如何成像的？
二、 對(duì)焦和變焦有什么區(qū)別？
三、 景深是什么？又和什么有關(guān)？
四、鏡頭對(duì)圖像質(zhì)量的影響
一、相機(jī)是如何成像的？
我們可以把相機(jī)的成像簡(jiǎn)單的抽象成下圖：
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凸透鏡成像
由凸透鏡成像原理，我們可以知道當(dāng)物距大于2倍焦距時(shí)，則像距在1倍焦距和2倍焦距之間，成倒立、縮小的實(shí)像。此時(shí)像距小于物距，像比物小，物像異側(cè)。設(shè) f=OB 表示透鏡的焦距，m=OC 為像距，n=AO 為物距，有：
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一般地，由于物距遠(yuǎn)大于焦距，即 n>>f，所以 m≈f，此時(shí)可以用小孔模型代替透鏡成像。
用數(shù)學(xué)方式表示成像模型：https://zhuanlan.zhihu.com/p/23090593
二、 對(duì)焦和變焦有什么區(qū)別？
對(duì)焦
對(duì)焦（聚焦）就是把鏡片移動(dòng)到適合的位置，其要實(shí)現(xiàn)清晰成像，則物體應(yīng)當(dāng)在兩倍焦距之外，像平面在一倍至兩倍焦距之間，這樣就可以成倒立縮小的圖像，這是照相機(jī)的原理。簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，就是把成的像準(zhǔn)確的落在sensor（camera傳感器）上。對(duì)焦有兩種：自動(dòng)對(duì)焦，手動(dòng)對(duì)焦。
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虛線是sensor的位置，當(dāng)虛線落在像的位置上就是對(duì)焦完成。
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左圖對(duì)焦清楚，而右圖沒(méi)有對(duì)焦清楚，sensor在像的左邊或者右邊都會(huì)導(dǎo)致右邊的效果。
變焦
變焦有光學(xué)變焦和數(shù)字變焦。
光學(xué)變焦：就是改變透鏡的焦距。由于改變了焦距，根據(jù)上面的結(jié)論，焦距改變了，視場(chǎng)角也就變了，就可以實(shí)現(xiàn)拉近拉遠(yuǎn)的功能。
數(shù)碼變焦：是通過(guò)數(shù)碼相機(jī)的處理器，把圖片內(nèi)的每個(gè)像素面積增大，從而達(dá)到放大的目的，當(dāng)前變焦過(guò)的時(shí)圖像就會(huì)出現(xiàn)失真，因?yàn)榉糯蟮倪^(guò)程會(huì)對(duì)圖像進(jìn)程插值。
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當(dāng)焦距越大，成的像也就越大，像距也就越遠(yuǎn)。
反之，焦距越小，成的像也就越小，像距越小。
同一個(gè)物體，成的像越小，sensor的面積一樣的情況下，可以看到的東西就越多，視野也就越大，因此焦距越小，視場(chǎng)角也就越大。
焦距 像 視場(chǎng)角（視野）
長(zhǎng) 大 小
短 小 大
下圖是將焦距拉長(zhǎng)后，圖像放大的效果
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長(zhǎng)焦的放大效果
三、 景深是什么？又和什么有關(guān)？
相機(jī)景深：其指的是在某個(gè)物距之間，還能夠清晰成像的距離，如下圖：
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如果sensor剛好在像距的位置上，物體的一個(gè)點(diǎn)，成的像也就是一個(gè)點(diǎn)。如果sensor在像距的前面或者后面，這個(gè)點(diǎn)也就成了一個(gè)圓，專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)叫彌散圓。當(dāng)這個(gè)圓大到一定的程度的時(shí)候，照片也就糊了。
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景深三要素
光圈
光圈就是用來(lái)控制光線透過(guò)鏡頭的一個(gè)裝置，光圈越大，進(jìn)光量越多。
光圈值，是鏡頭的焦距/鏡頭通光直徑得出的相對(duì)值（相對(duì)孔徑的倒數(shù)），光圈值越小，光圈越大。相同光圈值，sensor表面的照度相同。
光圈越大，景深越小。
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如圖，當(dāng)光圈減小，虛線位置的彌散圈也在減小。彌散圈越小，成的像就越清晰。原來(lái)看不清楚的物體，彌散圈變小了，就能看清了，景深就變大了。
夜間攝影的時(shí)候，增大光圈可以提高進(jìn)光量，提升圖像質(zhì)量，但是大光圈也會(huì)導(dǎo)致景深太小，這個(gè)時(shí)候就需要兩者權(quán)衡。拍人像的時(shí)候，我們又會(huì)要求景深小，這樣就有背景虛化的效果，這個(gè)時(shí)候就需要大光圈。
物距
物體越近，景深越小
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物體123是等距的，他們成的像分別是像123，但是像的位置不是等距的。由于sensor聚焦好之后只能在一個(gè)位置上，在這個(gè)位置上能看到更多的物體，就是景深大。物體1比較遠(yuǎn)，我們將sensor聚焦在像1上，像2距離像1很近，彌散圈很小，很容易看清楚物體2。相反的，物體3比較近，我們將sensor聚焦在像3上，像2離像3比較遠(yuǎn)，彌散圈大，不容易看清楚物體2。所以從圖中可以很容易的看出，物體越近，景深越小。
焦距
焦距越長(zhǎng)，景深越小。
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兩個(gè)物體1和2，焦距fa < fb。當(dāng)焦距為fa，成的像分別是1a和2a，當(dāng)焦距為fb時(shí)，成的像分別為1b和2b。當(dāng)焦距比較小，為fa的時(shí)候，可以很明顯的看到像1a和像1b距離很近，由于sensor只能固定在一個(gè)位置，更容易同時(shí)看清兩個(gè)物體。因此焦距越短，景深越大。
小結(jié)
景深 大 小
光圈 小 大
物距 遠(yuǎn) 近
焦距 短 長(zhǎng)
四、鏡頭對(duì)圖像質(zhì)量的影響
1.暗角
原因
對(duì)著亮度均勻景物，圖像畫(huà)面四角有變暗的現(xiàn)象，叫做“失光”或“暗角”。暗角對(duì)于任何鏡頭都不可避免，這是由于鏡頭對(duì)于光學(xué)折射不均勻。
chrom/color shading 原因
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現(xiàn)象
a. luma shading
由于Lens的光學(xué)特性，Sensor影像區(qū)的邊緣區(qū)域接收的光強(qiáng)比中心小，所造成的中心和四角亮度不一致的現(xiàn)象。
b. chrom/color shading：
由于各種顏色的波長(zhǎng)不同，經(jīng)過(guò)了透鏡的折射，折射的角度也不一樣，因此會(huì)造成color shading的現(xiàn)象
暗角現(xiàn)象
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解決方法
sensor和鏡頭的 CRA需要匹配
鏡頭陰影校正（Lens Shading Correction）
lens shading的校正是分別對(duì)于bayer的四個(gè)通道進(jìn)行校正，每個(gè)通道的校正過(guò)程是相對(duì)獨(dú)立的過(guò)程。
暗角矯正
2.炫光
原因
入射光線進(jìn)入攝像頭模組后多次反射造成的
有興趣的可以看一下：https://wenku.baidu.com/view/8e119588fab069dc502201f4.html?from=search
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炫光現(xiàn)象
眩光現(xiàn)象
解決方法
1.加鏡頭罩
2.鍍AR增透膜，減少反射
3.使用藍(lán)玻璃IR濾光片，減少I(mǎi)R-cut的反射
使用藍(lán)玻璃IR-CUT示意圖
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3. 畸變
原因
鏡頭畸變是由遠(yuǎn)離光圈的鏡片的球面像差造成的。
現(xiàn)象
畸變現(xiàn)象
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理想的針孔成像模型確定的坐標(biāo)變換關(guān)系均為線性的，而實(shí)際上，現(xiàn)實(shí)中使用的相機(jī)由于鏡頭中鏡片因?yàn)楣饩€的通過(guò)產(chǎn)生的不規(guī)則的折射，鏡頭畸變（lens distortion）總是存在的，即根據(jù)理想針孔成像模型計(jì)算出來(lái)的像點(diǎn)坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)存在偏差。畸變導(dǎo)致的成像失真可分為徑向失真和切向失真兩類(lèi)。
解決方法
這里只介紹算法上的畸變校正，通過(guò)標(biāo)定，建立一個(gè)實(shí)際位置和理想位置的映射關(guān)系，具體的可以看另一篇文章《鏡頭畸變那些事兒》
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4. 清晰度不均勻
現(xiàn)象
用同一個(gè)鏡頭，中心和邊緣的畫(huà)面清晰度也會(huì)有區(qū)別，邊緣的清晰度一般都不如中心區(qū)域。
一款鏡頭的MTF曲線
鏡頭的清晰度說(shuō)明書(shū)
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解決方法
高通660平臺(tái)會(huì)根據(jù)離中心的距離,對(duì)同一幅畫(huà)面中的不同區(qū)域去設(shè)置不同的降噪和銳化參數(shù)
5. 色像差
原因
光學(xué)玻璃的折射率隨通過(guò)的光波的波長(zhǎng)變化而變，它對(duì)短波長(zhǎng)的光的折射率比長(zhǎng)波長(zhǎng)的折射率更大。這種起因于不同波長(zhǎng)的像差，我們稱(chēng)它為色像差(Chromatic?aberration)。
色像差的原因
現(xiàn)象
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色像差的現(xiàn)象
具體體現(xiàn)在圖像上，就是物體邊緣原本是單純白色，因?yàn)樯疃兂蒖GB三原色不能重疊在同一線。最為常見(jiàn)的就是紫邊（Purple Fringe）
解決方法：
Color Aliasing Correction(CAC)檢測(cè)圖像中視覺(jué)偽像,對(duì)偽像顏色進(jìn)行補(bǔ)償
原文鏈接: https://www.qinxing.xyz/posts/b31d381e/
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