相機成像原理四問
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經(jīng)典好文推薦，通過閱讀本文，您將收獲以下知識點:
一、相機是如何成像的？
二、 對焦和變焦有什么區(qū)別？
三、 景深是什么？又和什么有關？
四、鏡頭對圖像質(zhì)量的影響
一、相機是如何成像的？
我們可以把相機的成像簡單的抽象成下圖：
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凸透鏡成像
由凸透鏡成像原理，我們可以知道當物距大于2倍焦距時，則像距在1倍焦距和2倍焦距之間，成倒立、縮小的實像。此時像距小于物距，像比物小，物像異側(cè)。設 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，由于物距遠大于焦距，即 n>>f，所以 m≈f，此時可以用小孔模型代替透鏡成像。
用數(shù)學方式表示成像模型：https://zhuanlan.zhihu.com/p/23090593
二、 對焦和變焦有什么區(qū)別？
對焦
對焦（聚焦）就是把鏡片移動到適合的位置，其要實現(xiàn)清晰成像，則物體應當在兩倍焦距之外，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，這是照相機的原理。簡單的來說，就是把成的像準確的落在sensor（camera傳感器）上。對焦有兩種：自動對焦，手動對焦。
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虛線是sensor的位置，當虛線落在像的位置上就是對焦完成。
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左圖對焦清楚，而右圖沒有對焦清楚，sensor在像的左邊或者右邊都會導致右邊的效果。
變焦
變焦有光學變焦和數(shù)字變焦。
光學變焦：就是改變透鏡的焦距。由于改變了焦距，根據(jù)上面的結論，焦距改變了，視場角也就變了，就可以實現(xiàn)拉近拉遠的功能。
數(shù)碼變焦：是通過數(shù)碼相機的處理器，把圖片內(nèi)的每個像素面積增大，從而達到放大的目的，當前變焦過的時圖像就會出現(xiàn)失真，因為放大的過程會對圖像進程插值。
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當焦距越大，成的像也就越大，像距也就越遠。
反之，焦距越小，成的像也就越小，像距越小。
同一個物體，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，視場角也就越大。
焦距 像 視場角（視野）
長 大 小
短 小 大
下圖是將焦距拉長后，圖像放大的效果
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長焦的放大效果
三、 景深是什么？又和什么有關？
相機景深：其指的是在某個物距之間，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，物體的一個點，成的像也就是一個點。如果sensor在像距的前面或者后面，這個點也就成了一個圓，專業(yè)術語叫彌散圓。當這個圓大到一定的程度的時候，照片也就糊了。
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景深三要素
光圈
光圈就是用來控制光線透過鏡頭的一個裝置，光圈越大，進光量越多。
光圈值，是鏡頭的焦距/鏡頭通光直徑得出的相對值（相對孔徑的倒數(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。
夜間攝影的時候，增大光圈可以提高進光量，提升圖像質(zhì)量，但是大光圈也會導致景深太小，這個時候就需要兩者權衡。拍人像的時候，我們又會要求景深小，這樣就有背景虛化的效果，這個時候就需要大光圈。
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位置上，在這個位置上能看到更多的物體，就是景深大。物體1比較遠，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，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，景深越小。
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兩個物體1和2，焦距fa < fb。當焦距為fa，成的像分別是1a和2a，當焦距為fb時，成的像分別為1b和2b。當焦距比較小，為fa的時候，可以很明顯的看到像1a和像1b距離很近，由于sensor只能固定在一個位置，更容易同時看清兩個物體。因此焦距越短，景深越大。
小結
景深 大 小
光圈 小 大
物距 遠 近
焦距 短 長
四、鏡頭對圖像質(zhì)量的影響
1.暗角
原因
對著亮度均勻景物，圖像畫面四角有變暗的現(xiàn)象，叫做“失光”或“暗角”。暗角對于任何鏡頭都不可避免，這是由于鏡頭對于光學折射不均勻。
chrom/color shading 原因
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現(xiàn)象
a. luma shading
由于Lens的光學特性，Sensor影像區(qū)的邊緣區(qū)域接收的光強比中心小，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不同，經(jīng)過了透鏡的折射，折射的角度也不一樣，因此會造成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的校正是分別對于bayer的四個通道進行校正，每個通道的校正過程是相對獨立的過程。
暗角矯正
2.炫光
原因
入射光線進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.使用藍玻璃IR濾光片，減少IR-cut的反射
使用藍玻璃IR-CUT示意圖
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3. 畸變
原因
鏡頭畸變是由遠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變換關系均為線性的，而實際上，現(xiàn)實中使用的相機由于鏡頭中鏡片因為光線的通過產(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算出來的像點坐標與實際坐標存在偏差。畸變導致的成像失真可分為徑向失真和切向失真兩類。
解決方法
這里只介紹算法上的畸變校正，通過標定，建立一個實際位置和理想位置的映射關系，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
用同一個鏡頭，中心和邊緣的畫面清晰度也會有區(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
鏡頭的清晰度說明書
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解決方法
高通660平臺會根據(jù)離中心的距離,對同一幅畫面中的不同區(qū)域去設置不同的降噪和銳化參數(shù)
5. 色像差
原因
光學玻璃的折射率隨通過的光波的波長變化而變，它對短波長的光的折射率比長波長的折射率更大。這種起因于不同波長的像差，我們稱它為色像差(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，因為色差而變成RGB三原色不能重疊在同一線。最為常見的就是紫邊（Purple Fringe）
解決方法：
Color Aliasing Correction(CAC)檢測圖像中視覺偽像,對偽像顏色進行補償
原文鏈接: https://www.qinxing.xyz/posts/b31d381e/
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