GAMES101-19：相机&透镜&光场

十九、相机&透镜&光场

19.1 相机

快门：控制光在某个极短时间内进入相机

传感器：将光的信息记录下来，只能记录Irradiance，不能记录radiance，因此需要小孔/棱镜成像

19.1.1 针孔相机

1. 没有景深的效果，不会模糊

19.1.2 基础概念

19.1.2.1 视场 FOV

FOV：视场

1. 传感器高度：h
2. 传感器到小孔的距离：焦距f
3. 焦距越大，视场越大
4. 传感器越小，视场越小

以35mm格式的胶片为标准，通过更改焦距f，定义视场

1. 也就是确定了传感器高度h
2. 通常说的是等效到35mm格式，而不是传感器就是35mm

传感器sensor和胶片film可以不一样，但可以当作是一样的

1. 传感器：接收到了具体信息
2. 胶片：最后呈现的效果

小的传感器 + 小焦距，可以得到相同的视场

19.1.2.2 曝光度 Exposure

Exposure = 时间(T) × Irradiance(E)

1. 时间越长、单位时间内接收到的能量越多，最后的曝光度越大
2. 曝光度记录的是energy，而不是power
3. 时间：由快门控制
4. Irradiance：由很多因素决定，如光圈

19.1.2.3 影响曝光度的因素：光圈&快门&ISO

1. 光圈Aperture Size：用FN或F/N表示
   1. 模拟人的瞳孔，通过F-stop/F-number控制开关
   2. N对应光圈半径的倒数
   3. 光圈越大，越亮，但是远的部分越模糊
   4. 如果要考虑景深，光圈就应该小，图像就会暗，因此就需要更长的快门时间，从而无法考虑运动模糊的问题
2. 快门Shutter speed：用分数表示
   1. 控制记录的时间
   2. 时间越长，越模糊
   3. 因为存在运动模糊效果：对快门时间内记录到的所有信息做了一个平均
   4. 相当于在时间上采样时，做了一个模糊效果
   5. Rolling shutter：对于高速运动的物体，可能会出现扭曲的现象
3. 感光度ISO gain：用ISOxx表示
   1. 类似于后期处理，对接收到的光乘上某个数
   2. 可以发生在硬件上，也可以发生在软件上
   3. ISO越大，越亮，但是噪声也越大

19.1.2.4 高速/低速摄影

高速摄影

1. 即每秒钟要拍更多的照片
2. 快门时间变短，同时需要更大的光圈

低速摄影/延迟摄影

1. 即每秒钟要拍更少的照片
2. 快门时间变长，就是需要运动模糊

19.2 薄透镜近似

19.2.1 理想化薄透镜

1. 平行光可以汇聚到焦点上，过交点可以发散为平行光
2. 过中心不改变光路
3. 可以任意更改焦距：通过透镜组，动态改变焦距

19.2.2 焦散模糊 Defocus Blur

CoC：Circle of Confusion

1. 当感光器在成像点后面时，会导致成像为一个圆
2. 光圈越大，CoC越大

19.2.3 F-Number的定义

1. F-Number = 焦距 / 光圈直径
2. 拍的更清楚 => 使用小光圈

19.3 光线追踪模拟薄透镜

19.3.1 定义

1. 感光器的大小
2. 焦距、光圈大小
3. 物体与棱镜的距离，即物距z_o

19.3.2 渲染方式

1. 在感光元件上选一个点x'
2. 在透镜上选另一个点x''
3. 连接x'和x''，可以得到通过该透镜后的光线x''→x'''
4. 考虑x''→x'''的Radiance，记录到x'上即可

19.4 景深 Depth of Field：D_F ~ D_N

1. 用不同的光圈，会影响模糊的范围
2. 在实际场景中有一段深度(景深)，这段通过透镜，会在成像区域附近形成一个区域，我们认为这个区域内的CoC都是足够小的
3. 这段深度内的像素，认为均是锐利的，即不模糊的

19.5 光场 Light Field / Lumigraph

19.5.1 全光函数 Plenoptic Function

19.5.1.1 Grayscale snapshot：P(θ, Φ)

1. 定义了在一个固定地方，向任意一个方向(θ, Φ)看，能够看到的亮度值

19.5.1.2 Color snapshot：P(θ, Φ, λ)

1. 定义了在一个固定地方，向任意一个方向(θ, Φ)看，能够看到的波长为λ的亮度值

19.5.1.3 Movie：P(θ, Φ, λ, t)

1. 定义了在一个固定地方，在某个时间t，向任意一个方向(θ, Φ)看，能够看到的波长为λ的亮度值
2. 即电影

19.5.1.4 Holographic Movie：P(θ, Φ, λ, t, V_X, V_Y, V_Z)

1. 定义了在某个位置(V_X, V_Y, V_Z)，在某个时间t，向任意一个方向(θ, Φ)看，能够看到的波长为λ的亮度值
2. 即全息电影

19.5.1.5 Plenoptic Function：P(θ, Φ, λ, t, V_X, V_Y, V_Z)

1. 在任何时间t、任何地点V、向任何方向(θ, Φ)看，所能看到的所有的光λ
2. 是一个七维函数

19.5.2 光线的定义

5个维度：P(θ, Φ, V_X, V_Y, V_Z)

1. 3个维度的坐标
2. 2个维度的方向

4个维度：

1. 2维的位置：(u, v)
2. 2维的方向：(θ, Φ)

19.5.3 全光表面 Plenoptic Surface

光场：任何一个位置，往任何一个方向去的光的强度

1. 在表面的位置：(u, v)
2. 方向：(θ, Φ)
3. 从任意一个位置，往任意一个方向看，都看到该光场的强度

19.5.4 光场

不需要直到物体具体是什么，只需要直到包围盒外的光场信息

19.5.5 Lumigraph-Organization

取一个平面，只需要直到该平面上任何一个位置，往任何一个方向去的光的强度

也可以定义两个平面(u,v) & (s,t)，定义该光线

19.5.6 光场摄像机