相机成像原理四问

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经典好文推荐，通过阅读本文，您将收获以下知识点:

一、相机是如何成像的？
二、 对焦和变焦有什么区别？
三、 景深是什么？又和什么有关？
四、镜头对图像质量的影响

一、相机是如何成像的？

我们可以把相机的成像简单的抽象成下图：

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凸透镜成像

由凸透镜成像原理，我们可以知道当物距大于2倍焦距时，则像距在1倍焦距和2倍焦距之间，成倒立、缩小的实像。此时像距小于物距，像比物小，物像异侧。设 f=OB 表示透镜的焦距，m=OC 为像距，n=AO 为物距，有：

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一般地，由于物距远大于焦距，即 n>>f，所以 m≈f，此时可以用小孔模型代替透镜成像。

用数学方式表示成像模型：https://zhuanlan.zhihu.com/p/23090593

二、 对焦和变焦有什么区别？

对焦
对焦（聚焦）就是把镜片移动到适合的位置，其要实现清晰成像，则物体应当在两倍焦距之外，像平面在一倍至两倍焦距之间，这样就可以成倒立缩小的图像，这是照相机的原理。简单的来说，就是把成的像准确的落在sensor（camera传感器）上。对焦有两种：自动对焦，手动对焦。

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虚线是sensor的位置，当虚线落在像的位置上就是对焦完成。

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左图对焦清楚，而右图没有对焦清楚，sensor在像的左边或者右边都会导致右边的效果。

变焦
变焦有光学变焦和数字变焦。

光学变焦：就是改变透镜的焦距。由于改变了焦距，根据上面的结论，焦距改变了，视场角也就变了，就可以实现拉近拉远的功能。

数码变焦：是通过数码相机的处理器，把图片内的每个像素面积增大，从而达到放大的目的，当前变焦过的时图像就会出现失真，因为放大的过程会对图像进程插值。

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当焦距越大，成的像也就越大，像距也就越远。

反之，焦距越小，成的像也就越小，像距越小。

同一个物体，成的像越小，sensor的面积一样的情况下，可以看到的东西就越多，视野也就越大，因此焦距越小，视场角也就越大。

焦距 像 视场角（视野）
长 大 小
短 小 大
下图是将焦距拉长后，图像放大的效果

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长焦的放大效果

三、 景深是什么？又和什么有关？

相机景深：其指的是在某个物距之间，还能够清晰成像的距离，如下图：

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如果sensor刚好在像距的位置上，物体的一个点，成的像也就是一个点。如果sensor在像距的前面或者后面，这个点也就成了一个圆，专业术语叫弥散圆。当这个圆大到一定的程度的时候，照片也就糊了。

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景深三要素
光圈
光圈就是用来控制光线透过镜头的一个装置，光圈越大，进光量越多。

光圈值，是镜头的焦距/镜头通光直径得出的相对值（相对孔径的倒数），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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如图，当光圈减小，虚线位置的弥散圈也在减小。弥散圈越小，成的像就越清晰。原来看不清楚的物体，弥散圈变小了，就能看清了，景深就变大了。

夜间摄影的时候，增大光圈可以提高进光量，提升图像质量，但是大光圈也会导致景深太小，这个时候就需要两者权衡。拍人像的时候，我们又会要求景深小，这样就有背景虚化的效果，这个时候就需要大光圈。

物距
物体越近，景深越小

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物体123是等距的，他们成的像分别是像123，但是像的位置不是等距的。由于sensor聚焦好之后只能在一个位置上，在这个位置上能看到更多的物体，就是景深大。物体1比较远，我们将sensor聚焦在像1上，像2距离像1很近，弥散圈很小，很容易看清楚物体2。相反的，物体3比较近，我们将sensor聚焦在像3上，像2离像3比较远，弥散圈大，不容易看清楚物体2。所以从图中可以很容易的看出，物体越近，景深越小。

焦距
焦距越长，景深越小。

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两个物体1和2，焦距fa < fb。当焦距为fa，成的像分别是1a和2a，当焦距为fb时，成的像分别为1b和2b。当焦距比较小，为fa的时候，可以很明显的看到像1a和像1b距离很近，由于sensor只能固定在一个位置，更容易同时看清两个物体。因此焦距越短，景深越大。

小结
景深 大 小
光圈 小 大
物距 远 近
焦距 短 长

四、镜头对图像质量的影响

1.暗角

原因
对着亮度均匀景物，图像画面四角有变暗的现象，叫做“失光”或“暗角”。暗角对于任何镜头都不可避免，这是由于镜头对于光学折射不均匀。

chrom/color shading 原因

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现象
a. luma shading

由于Lens的光学特性，Sensor影像区的边缘区域接收的光强比中心小，所造成的中心和四角亮度不一致的现象。

b. chrom/color shading：
由于各种颜色的波长不同，经过了透镜的折射，折射的角度也不一样，因此会造成color shading的现象

暗角现象

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解决方法
sensor和镜头的 CRA需要匹配

镜头阴影校正（Lens Shading Correction）

lens shading的校正是分别对于bayer的四个通道进行校正，每个通道的校正过程是相对独立的过程。

暗角矫正

2.炫光

原因
入射光线进入摄像头模组后多次反射造成的

有兴趣的可以看一下：https://wenku.baidu.com/view/8e119588fab069dc502201f4.html?from=search

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炫光现象

眩光现象

解决方法
1.加镜头罩

2.镀AR增透膜，减少反射

3.使用蓝玻璃IR滤光片，减少IR-cut的反射

使用蓝玻璃IR-CUT示意图

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3. 畸变

原因
镜头畸变是由远离光圈的镜片的球面像差造成的。

现象

畸变现象

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理想的针孔成像模型确定的坐标变换关系均为线性的，而实际上，现实中使用的相机由于镜头中镜片因为光线的通过产生的不规则的折射，镜头畸变（lens distortion）总是存在的，即根据理想针孔成像模型计算出来的像点坐标与实际坐标存在偏差。畸变导致的成像失真可分为径向失真和切向失真两类。

解决方法
这里只介绍算法上的畸变校正，通过标定，建立一个实际位置和理想位置的映射关系，具体的可以看另一篇文章《镜头畸变那些事儿》

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4. 清晰度不均匀

现象
用同一个镜头，中心和边缘的画面清晰度也会有区别，边缘的清晰度一般都不如中心区域。

一款镜头的MTF曲线

镜头的清晰度说明书

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解决方法
高通660平台会根据离中心的距离,对同一幅画面中的不同区域去设置不同的降噪和锐化参数

5. 色像差

原因
光学玻璃的折射率随通过的光波的波长变化而变，它对短波长的光的折射率比长波长的折射率更大。这种起因于不同波长的像差，我们称它为色像差(Chromatic aberration)。

色像差的原因

现象

image.png

色像差的现象

具体体现在图像上，就是物体边缘原本是单纯白色，因为色差而变成RGB三原色不能重叠在同一线。最为常见的就是紫边（Purple Fringe）

解决方法：
Color Aliasing Correction(CAC)检测图像中视觉伪像,对伪像颜色进行补偿

原文链接: https://www.qinxing.xyz/posts/b31d381e/

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