图像采集与成像原理

相机的构成

• 光学部分：负责光线的聚焦和成像
• 传感器部分：将光学图像转换为电信号
• 内部图像处理部分：对传感器信号进行处理，生成最终图像视野
• 相机覆盖的范围，决定了成像的广度

CMOS与CCD相机

• 传感器发展：传感器发展
• 工作原理对比
  • CCD：电荷耦合器件传感器，逐行传输电荷
  • CMOS：金属氧化物半导体传感器，每个像素点独立放大信号

成像系统

• 物体上每个点发出的光线发射到传感器的每个像素上，形成图像

小孔成像

• 描述了光线如何从物体经过小孔投射到传感器上，形成倒立的实像

参数

• 焦距：小孔与传感器平面之间的距离，影响成像的大小和视角
• 孔径：小孔的直径，影响进光量和景深

光的波粒二象性

• 光同时具有粒子性和波动性，孔径大小会影响成像的清晰度和衍射现象，是不是我们把小孔做的越小越好呢？画面是不是会变得更加清晰锐利呢？
• 光的波粒二象性——光是粒子，也是波。小孔越小，衍射现象越严重：

小孔相机的数学模型

• 齐次坐标：引入齐次坐标简化2D到3D的转换
• 相机矩阵P：描述了3D世界点到2D图像点的映射关系

坐标系变换

• 描述了世界坐标系、相机坐标系和图像坐标系之间的转换关系

透视投影与正交投影

• 透视投影：遵循近大远小的原则，物体距离影响成像大小
• 正交投影：成像缩放比例不变，适用于特定条件下的成像

镜头成像

不同尺寸小孔成像的结果

小孔太小，那么会产生光的衍射，导致成像的模 糊，而且信噪比很低，导致图像的噪声较大。

如果小孔太大，同一个像点的光会来自于多个物 点，也会导致图像的模糊。

只有在两者之间某个平衡的尺寸，才能让成像既 比较清晰，又具有较低的噪声。

• 薄透镜模型：描述了光线通过透镜的聚焦行为
• 相似三角形原理：用于计算成像大小和位置

景深

• 描述了在一定条件下，物体成像的清晰范围
• 影响因素包括光圈大小、物距和焦距
• 景深范围大时，画面会显得更加清晰
• 微距拍摄：当拍摄距离很近时，画面背景的模糊感非常强，主体很突出。
• 光圈值=镜头的焦距除以光圈口径。
• • f-number = f / D, D是镜头的直径
• • 光圈值越小，光圈口径就越大， 进光量也越大，景深越浅
• 根据景深计算公式，景深是和光圈值大小成线性关系的，光圈值越小，光圈口径越大，景深越小。
• 与物距成二次方关系，所以物距越远，景深越大

真实镜头的缺点

薄透镜模型的两个基础假设可以推导出要求透镜没有厚度，一般是把多个镜头组合到一起，互相补充， 从而形成一个透镜组，不管是单反上的复杂镜头，还是手机等便携式设备上的镜头，都是透镜组

• 色差：不同波长光线的折射率不同，导致成像色彩失真
• 球差：非理想透镜引起的成像模糊
• 薄透镜模型中，假设平行与光轴的所有光穿过镜头后会对焦到一点。这其实是要求镜头的剖面是一个双 曲线。 • 但是实际上镜头并非双曲面，大多数是球面的，因此光线穿过后并非对焦到同一点，这就会导致画面的 模糊。

视场角(Field of View)

• 描述了镜头能够覆盖的视角范围
• 影响因素包括焦距和传感器大小
• 扩大焦距的效应非常类似于对图像进行裁剪：

曝光控制

• 快门速度：控制光线照射传感器的时间
• 快门用于控制入射光照射到传感器上的时间，运动模糊：快门速度不够快时，拍摄的图像会模糊、拖尾
• 光圈：控制进入镜头的光线量
• 光圈用于控制镜头的通光面积
• 不同焦距的镜头，通常用f-number来衡量光圈的影响
• f-number = f / D, D是镜头的直径