第8章_计算摄像-现代计算机图形学基础-黄华-清华大学出版社
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《现代计算机图形学基础》
第八章 计算摄像
1
提纲
1. 摄像的发展
2. 数码成像 3. 计算成像 4. 计算光场成像 5. 计算光谱成像 6. 实际中的计算摄像
2
1.1 历史发展
• 摄像起源于战国时期的小孔成像，随着光学系统、 成像介质等的发展，摄像技术也产生了巨大的变革
战国时期 十五世纪 1822年
Sony Mavica 8
1.1 历史发展
• 1.1.6 手机照相
– 2000年，夏普发布了内置11万像素CCD摄像头 的J-SH04手机，是世界第一款照相手机。
– 2003年，夏普发布并J-SH53手机，可拍摄最 大1144×858像素的照片，成为世界上第一款 百万像素照相手机。
J-SH04
J-SH53
11
1.2 成像原理
• 1.2.1 小孔成像
– 原理
• 可见光成像 • 直线传播
– 特点
• 没有几何扭曲
– 直线保持直线
• 无限景深
– 每一点在焦点上
12
1.2 Biblioteka Baidu像原理
• 1.2.1 小孔成像
– 小孔径产生衍射
• 模糊 • 亮度低
– 大孔径产生几何马赛克
• 模糊 • 光斑
13
1.2 成像原理
• 两个球面相交构成薄透镜（d 0），物距so和像
距si满足:
11 so si
(nl
1)
1 R1
1 R2
24
1.2 成像原理
• 1.2.2 透镜成像
– 高斯公式（Gaussian lens formula）
• 物距so、像距si和焦距fi满足：
11 1
so si fi
• 不同远近的物体成像需要调整镜头到介质的距离
• 1.2.1 小孔成像
➢ 大孔径 ➢ 几何模糊
➢ 小孔径 ➢ 衍射模糊
➢ 最优孔径 ➢ 亮度低
14
1.2 成像原理
• 1.2.2 透镜成像
– 可见光成像 – 折射 – 增加了成像光
线强度，同时 避免几何模糊
15
1.2 成像原理
• 1.2.2 透镜成像
– 斯涅耳定律（Snell’s law）
• 光从一种介质进入另一种介质，由于 传播速度的不同，在介质表面发生光 的折射，其折射率与入射角、折射角 满足如下关系：
z'
n / z n / r n '/ r n '/ z '
轴聚焦：P点发出的所有
光线汇聚P’点
22
1.2 成像原理
• 1.2.2 透镜成像
焦距（focal length）： f z ' z z ' (rn ') / (n ' n)
23
1.2 成像原理
• 1.2.2 透镜成像
– 透镜公式（Lensmaker’s formula）
– 加工困难
平行光线： 汇聚光线：
平面波
球面波18
1.2 成像原理
• 1.2.2 透镜成像
– 球面透镜：加工简单，但存在球差现象 （Spherical aberration）
计算机控制
抛光
19
1.2 成像原理
• 1.2.2 透镜成像
– 单个球面：近轴逼近（paraxial approximation） 或称为一阶光学（first-order optics）
计算物体空间P点在成像空间的位置P’点?
20
1.2 成像原理
• 1.2.2 透镜成像
斯涅耳定律 泰勒逼近 近轴逼近
n sin i n 'sin i '
sin 3 5 7 ...
3! 5! 7!
ni n 'i '
21
1.2 成像原理
• 1.2.2 透镜成像
hr
u
a
u'
z
i u a, a u ' i ' u h / z, a h / r u ' h / z '
– 同年，柯达公司发明了世界上第一台安装胶卷 的可携式方箱照相机--Kodak No.1。
7
1.1 历史发展
• 1.1.5 数码照相
– 1969年，CCD芯片作为相机感光材料在美国的 阿波罗登月飞船上搭载的照相机中得到应用， 开启了数码照相的先河。
– 1981年，索尼公司推出第一款面向公众的数码 相机Mavica。
拉箱
手动
马达
马达
马达
3
1.1 历史发展
• 1.1.1 小孔成像
– 战国初期，墨子（公元前468年-公元前376年） 和弟子们完成了世界上第一个小孔成像的实验， 并记录在《墨经》中：“景到，在午有端，与 景长。说在端” 。
4
1.1 历史发展
• 1.1.2 暗箱写生
– 十五世纪末期，根据小孔成像原理制作了暗箱 （Camera Obscure），成为照相机的雏形。 利用这种工具，只要用铅笔将影像反射在画纸 的，描绘出轮廓，再着色即可完成一幅很有真 实感的完全符合真实比例的画像。
1888年
1969年 2000年 2011年
小孔成像 暗箱写生 银版照相 胶卷相机 数码相机 手机拍摄 光场相机
小孔成像 暗箱写生 银版照相 胶卷相机 数码相机 手机拍摄 光场相机
光学 小孔
小孔 凸透镜 镜头组 镜头组 微镜头组 微镜头阵列
介质 光屏
纸张
金属
胶卷
CCD
CMOS
CCD
对焦 滑动标尺 拉箱
5
1.1 历史发展
• 1.1.3 银版照相
– 1822年，法国的涅普斯在感光材料上制出了世 界上第一张照片。
– 1838年，法国物理学家达盖尔发明盖尔的银版 照相法，是利用镀有碘化银的钢板在暗箱里曝 光，然后以水银蒸汽显影，再以普通食盐定影。
6
1.1 历史发展
• 1.1.4 胶卷照相
– 1888年，美国柯达公司发明了一种柔软、可卷 绕的新型感光材料--“胶卷”。
9
1.2 成像原理
• 光学成像并通过感光介质记录
– 光学原理
• 直线传播
• 折射、衍射
•…
– 感光介质
• 胶卷
• CCD
• CMOS
•…
CCD
CMOS
10
1.2 成像原理
• 光学成像并通过感光介质记录
– 为什么不直接使用感光介质记录光？
➢ 介质上每一点记录物体上所有 点的信息。
➢ 介质上每一点的颜色相同。
25
1.2 成像原理
• 1.2.2 透镜成像
– 高斯光路
• 平行于光轴的光线经过透镜 后汇聚到焦点
nt sini ni sint
16
1.2 成像原理
• 1.2.2 透镜成像
– 光线折射
• 折射率
– 空气1、水1.33、玻璃1.5-1.8
• 从空气进入玻璃，光线朝法向弯曲 • 从玻璃进入空气，光线远离法向 • 垂直入射不改变光线方向
17
1.2 成像原理
• 1.2.2 透镜成像
– 双曲透镜：将平行光线汇聚到一点的理想透镜 （费马原理：光线传播的路径是需时最少的路径）
第八章 计算摄像
1
提纲
1. 摄像的发展
2. 数码成像 3. 计算成像 4. 计算光场成像 5. 计算光谱成像 6. 实际中的计算摄像
2
1.1 历史发展
• 摄像起源于战国时期的小孔成像，随着光学系统、 成像介质等的发展，摄像技术也产生了巨大的变革
战国时期 十五世纪 1822年
Sony Mavica 8
1.1 历史发展
• 1.1.6 手机照相
– 2000年，夏普发布了内置11万像素CCD摄像头 的J-SH04手机，是世界第一款照相手机。
– 2003年，夏普发布并J-SH53手机，可拍摄最 大1144×858像素的照片，成为世界上第一款 百万像素照相手机。
J-SH04
J-SH53
11
1.2 成像原理
• 1.2.1 小孔成像
– 原理
• 可见光成像 • 直线传播
– 特点
• 没有几何扭曲
– 直线保持直线
• 无限景深
– 每一点在焦点上
12
1.2 Biblioteka Baidu像原理
• 1.2.1 小孔成像
– 小孔径产生衍射
• 模糊 • 亮度低
– 大孔径产生几何马赛克
• 模糊 • 光斑
13
1.2 成像原理
• 两个球面相交构成薄透镜（d 0），物距so和像
距si满足:
11 so si
(nl
1)
1 R1
1 R2
24
1.2 成像原理
• 1.2.2 透镜成像
– 高斯公式（Gaussian lens formula）
• 物距so、像距si和焦距fi满足：
11 1
so si fi
• 不同远近的物体成像需要调整镜头到介质的距离
• 1.2.1 小孔成像
➢ 大孔径 ➢ 几何模糊
➢ 小孔径 ➢ 衍射模糊
➢ 最优孔径 ➢ 亮度低
14
1.2 成像原理
• 1.2.2 透镜成像
– 可见光成像 – 折射 – 增加了成像光
线强度，同时 避免几何模糊
15
1.2 成像原理
• 1.2.2 透镜成像
– 斯涅耳定律（Snell’s law）
• 光从一种介质进入另一种介质，由于 传播速度的不同，在介质表面发生光 的折射，其折射率与入射角、折射角 满足如下关系：
z'
n / z n / r n '/ r n '/ z '
轴聚焦：P点发出的所有
光线汇聚P’点
22
1.2 成像原理
• 1.2.2 透镜成像
焦距（focal length）： f z ' z z ' (rn ') / (n ' n)
23
1.2 成像原理
• 1.2.2 透镜成像
– 透镜公式（Lensmaker’s formula）
– 加工困难
平行光线： 汇聚光线：
平面波
球面波18
1.2 成像原理
• 1.2.2 透镜成像
– 球面透镜：加工简单，但存在球差现象 （Spherical aberration）
计算机控制
抛光
19
1.2 成像原理
• 1.2.2 透镜成像
– 单个球面：近轴逼近（paraxial approximation） 或称为一阶光学（first-order optics）
计算物体空间P点在成像空间的位置P’点?
20
1.2 成像原理
• 1.2.2 透镜成像
斯涅耳定律 泰勒逼近 近轴逼近
n sin i n 'sin i '
sin 3 5 7 ...
3! 5! 7!
ni n 'i '
21
1.2 成像原理
• 1.2.2 透镜成像
hr
u
a
u'
z
i u a, a u ' i ' u h / z, a h / r u ' h / z '
– 同年，柯达公司发明了世界上第一台安装胶卷 的可携式方箱照相机--Kodak No.1。
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1.1 历史发展
• 1.1.5 数码照相
– 1969年，CCD芯片作为相机感光材料在美国的 阿波罗登月飞船上搭载的照相机中得到应用， 开启了数码照相的先河。
– 1981年，索尼公司推出第一款面向公众的数码 相机Mavica。
拉箱
手动
马达
马达
马达
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1.1 历史发展
• 1.1.1 小孔成像
– 战国初期，墨子（公元前468年-公元前376年） 和弟子们完成了世界上第一个小孔成像的实验， 并记录在《墨经》中：“景到，在午有端，与 景长。说在端” 。
4
1.1 历史发展
• 1.1.2 暗箱写生
– 十五世纪末期，根据小孔成像原理制作了暗箱 （Camera Obscure），成为照相机的雏形。 利用这种工具，只要用铅笔将影像反射在画纸 的，描绘出轮廓，再着色即可完成一幅很有真 实感的完全符合真实比例的画像。
1888年
1969年 2000年 2011年
小孔成像 暗箱写生 银版照相 胶卷相机 数码相机 手机拍摄 光场相机
小孔成像 暗箱写生 银版照相 胶卷相机 数码相机 手机拍摄 光场相机
光学 小孔
小孔 凸透镜 镜头组 镜头组 微镜头组 微镜头阵列
介质 光屏
纸张
金属
胶卷
CCD
CMOS
CCD
对焦 滑动标尺 拉箱
5
1.1 历史发展
• 1.1.3 银版照相
– 1822年，法国的涅普斯在感光材料上制出了世 界上第一张照片。
– 1838年，法国物理学家达盖尔发明盖尔的银版 照相法，是利用镀有碘化银的钢板在暗箱里曝 光，然后以水银蒸汽显影，再以普通食盐定影。
6
1.1 历史发展
• 1.1.4 胶卷照相
– 1888年，美国柯达公司发明了一种柔软、可卷 绕的新型感光材料--“胶卷”。
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1.2 成像原理
• 光学成像并通过感光介质记录
– 光学原理
• 直线传播
• 折射、衍射
•…
– 感光介质
• 胶卷
• CCD
• CMOS
•…
CCD
CMOS
10
1.2 成像原理
• 光学成像并通过感光介质记录
– 为什么不直接使用感光介质记录光？
➢ 介质上每一点记录物体上所有 点的信息。
➢ 介质上每一点的颜色相同。
25
1.2 成像原理
• 1.2.2 透镜成像
– 高斯光路
• 平行于光轴的光线经过透镜 后汇聚到焦点
nt sini ni sint
16
1.2 成像原理
• 1.2.2 透镜成像
– 光线折射
• 折射率
– 空气1、水1.33、玻璃1.5-1.8
• 从空气进入玻璃，光线朝法向弯曲 • 从玻璃进入空气，光线远离法向 • 垂直入射不改变光线方向
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1.2 成像原理
• 1.2.2 透镜成像
– 双曲透镜：将平行光线汇聚到一点的理想透镜 （费马原理：光线传播的路径是需时最少的路径）