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相机用于生成二维的图像图像最小的单元被称为像素 (Pixel) • 图像中的每个像素对应三维世界中的某个特定方向 • 相机度量某一时刻每个像素的光照强度和颜色并保存在图像中对应像素位置处。 • 换言之像素值衡量了某一时刻来自某一方向上的光照强度 1.2 基本组成元素 二、图像传感器
2.1 图像传感器简介
图像传感器是一种将光学影像转换成电子信号的设备。 • 感光元件由光敏单元阵列构成 • 常见的图像传感器有感光耦合器件CCD和互补式金属氧化物半导体有源像素传感器CMOS 两种 • 彩色图像的生成采用RGB颜色模型将红绿蓝三原色的色光以不同比例相加以产生各种色彩光 彩色图像传感器按照对色彩的分辨方式可分为 • 3CCD 传感器通过双色棱镜分光并采用3块独立的CCD传感器 • 拜尔Bayer传感器一个像素点只对三原色光中的一种感光 • Foveon X3 传感器每一像素点都有三重传感器 2.2 3CCD传感器 2.3 拜尔传感器 三、快门 3.1 快门简介 • 通过调整快门速度 (Shutter Speed)控制光线照射感光元件的时间即曝光时间 (Exposure Time) • 更长的曝光时间更多的入射光图像亮度更亮 • 更长的曝光时间容易引起运动模糊 (长曝光摄影) 3.2 卷帘宽门 采用逐行扫描的方式曝光 同一行像素被同时记录不同行像素曝光时间点不同 当相机或物体发生快速移动时会引起畸变(Distortion) 3.3 全局快门 • 所有像素在同一时间曝光 • 不会造成卷帘快门式的畸变因而更适用于3D重构任务 (如SLAM) • 造价更昂贵 【参考链接】 详细图解一眼就能看懂卷帘快门Rolling Shutter与全局快门Global Shutter的区别-CSDN博客https://blog.csdn.net/lz0499/article/details/102616773 四、图像的形成
4.1 成像原理 问直接在物体前放置幕布幕布上能否投射出物体的图像
答不会幕布上每一点都会接收到来自不同方向光线的投射因而投影的结果是十分模糊的。
那么如何解决呢 增加遮光板屏蔽掉多余的光线 小孔成像遮光板上通光的小孔就是光圈 (Aperture) 最朴素的针孔相机模型 这就是我们日常生活中的小孔成像原理。
4.2 针孔相机 • 针孔相机假设通过对小孔是一个点从物体的每个点发出的光线只有一条能通过小孔 • 针孔相机模型用于近似图像的形成过程 • 利用相似三角形原理分析 • 针孔相机模型图像较锐化由于光线较少需要更多的曝光时间 • 扩大孔径可以减少所需曝光时间但图像变模糊 • 解决方法用镜头透镜替换针孔 4.3 薄透镜相机
薄透镜相机模型是对针孔相机的近似。 • 理想情况下物点、像点、光心三点共线 • 光线与光心距离越远误差越大 • 采用光圈屏蔽距离光心较远的光心控制误差 4.4 光圈与景深
【光圈】
光圈限制了光线与光心的最大距离光圈就是小孔的孔径。 【景深】 景深指相机聚焦平面前后相对清晰的成像范围描述在空间中可以清楚成像的距离范围 【光圈和景深】 【参考网站】Depth of Field in Photography Explained: The Ultimate DOF Guide! (capturetheatlas.com) 4.5 针孔/薄透镜相机的假设 • 从同一物点发出的光线被聚焦于同一像点 • 所有的像点位于同一平面上 • 物点、光心与像点三点共线 因为以上假设条件在实际中并非总是满足的这导致了不完美的成像结果。 五、像差
真实成像过程中3D场景到2D图像的投影关系与理想薄透镜相机模型中的投影关系的偏差称
为像差。像差表现为图像的形变与失真有多中具体的形式。主要形式如下 • 畸变 (Distortion) • 球面像差 (Spherical aberrations) • 色相差 (Chromatic aberrations) • 像散 (Astigmatism ) • 光晕 (Vignetting) 5.1 畸变
直线投影 (rectilinear projection): 3D场景中的直线在2D投影中仍未直线畸变与直线投影的偏差 5.2 球面像差
由于透镜球面折射率变化不均造成平行于光轴的光线无法聚焦 造成成像模糊 5.3 色相差
透镜折射率随光的波长而变化同一物点发出的不同颜色光线无法聚焦于同一像点 5.4 像散
水平和竖直方向的焦点不同 5.5 光晕/暗角
图像的外围部分的亮度或饱和度比中心区域低 一个或多个透镜的实际尺寸造成的后方的元件遮蔽了前方的 然而有时却因为需要创意风格而被刻意加入 六、常见的镜头种类 6.1 长焦镜头
视野较窄 透视变形最小 3D空间中平行线在2D图像中保持平行 6.2 广角镜头
视野较宽广 (70-120度) 有透视变形 3D空间中的直线在2D图像大致是直线 6.3 鱼眼镜头
视野极宽 (130度) 3D空间中的直线在2D图像中几本不再是直线
