计算摄像学专题第8讲(上)详解
同济《数字摄影与摄像基础》教学资料 参考答案 课后思考题
第一章1. 简述“小孔成像“原理及出处。
先秦墨家学派墨翟（墨子），做了世界上第一个小孔成像实验，解释了小孔成像的原因，指出了光线好象箭一样直线传播。
其原理是用一个带有小孔的板遮挡在墙体与物体之间，墙体上就会形成物的倒影，我们把这样的现象叫小孔成像。
前后移动中间的板，墙体上成像的大小也会随之发生变化，这种现象说明了光沿直线传播的性质。
2. 简述摄影术的诞生时间与代表人物。
1839年8约19日法国科学院和美术学会联合召开了特别会议，主席在会上对“达盖尔银版法”的操作方法做了详细的阐述，这一天就被定为摄影术的正式诞生日。
其代表人物是法国画家达盖尔。
第二章1. 单反相机的优势是什么？第一，通过单一镜头取景，相机镜头兼作取景镜头，因此取景基本无误差，即我们看到的和我们实际能拍到的基本一致；第二，可以根据拍摄需求更换不同的镜头，并具备各种专业功能和器材扩展配套空间；第三，采用全画幅或接近全画幅尺寸的图像传感器，具有多种操作模式，适合不同拍摄主题。
2. 像素相同，但是图像传感器的大小不同的数码相机的图像质量有什么不同？像素相同，但是图像传感器面积大的图像画质高；图像传感器面积小的画质差。
3. 全画幅相机与APS-C画幅相机在画面成像质量上区别。
全画幅相机内部感光元件与传统胶片相机胶卷底片尺寸接近一致，图像画质更清晰，色调范围和景深更广，感应器动态范围大灵敏度高，可获得更大的ISO感光度范围。
相对来说，APS-C画幅相机在这些方面会稍逊全画幅相机。
第三章1. 光圈大小、快门速度和ISO感光度的关系是什么？ISO感光度、光圈大小和快门速度之间设置协调，才能拍出曝光正确的画面。
在ISO 感光度不变的情况下，光圈越大，快门速度越快；光圈越小，快门速度越慢。
2. 光圈对景深的影响有哪些？在拍摄环境与曝光条件不变的情况下，光圈越大、景深越小；光圈越小，景深越大。
3. 焦距对景深的影响有哪些？在其他条件不变的情况下，镜头焦距越长，景深越小，可以得到背景虚化的拍摄效果；镜头焦距越短，景深越大，可以呈现前后景均清晰的画面效果。
镜头与景深关系及其计算
镜头与景深关系及其计算景深是指一定距离范围内可以保持较为清晰的景物的范围。
在摄影以及电影拍摄领域，景深是一个非常重要的概念，可以通过调整镜头参数来实现不同的景深效果。
本文将介绍镜头与景深的关系，以及如何计算景深。
1.镜头与景深关系焦距：焦距是指从镜头到感光器材（例如相机传感器）的距离。
较长的焦距会导致景深变浅，即只有镜头前后较小的范围内的物体会保持清晰。
较短的焦距则会导致景深变深，即在比较远的距离范围内的物体都可以保持清晰。
光圈：光圈是指镜头的开口大小，用来控制镜头进光量的参数。
较大的光圈可以让更多的光线进入镜头，导致景深变浅。
而较小的光圈则相反，会让景深变深。
被摄物体的距离：被摄物体离镜头越近，景深就会变浅。
反之，被摄物体离镜头越远，景深就会变深。
因此，需要根据具体的拍摄需求来调整焦距和光圈，以及改变被摄物体的距离，以实现所需要的景深效果。
2.景深的计算景深的计算可以用下述公式来表示：DOF=2CNf²/(S²-f²)其中，DOF表示景深的范围，C表示常数，N表示光圈值，f表示焦距，S表示被摄物体的距离。
需要注意的是，这个公式仅适用于小孔径近似成像条件下，也就是说被摄物体距离镜头的距离远大于焦距。
在实际应用中，我们经常使用景深表或景深计算器来帮助我们计算所需的参数。
3.景深的应用景深在摄影和电影拍摄中有着广泛的应用。
通过调整焦距和光圈，可以实现不同的景深效果。
例如，在人像摄影中，我们通常会使用较大的光圈和较长的焦距，来使人物清晰，同时背景模糊，以突出主体。
而在风景摄影中，我们通常会使用较小的光圈和较短的焦距，来保持整个画面的清晰。
此外，景深还常用于电影中刻画人物心理状态的变化。
通过调整焦距和光圈，可以在画面上增加或减少景深，使得观众更好地理解人物的内心活动。
总结镜头与景深之间存在着密切的关系。
景深的大小取决于焦距、光圈和被摄物体的距离。
我们可以通过调整这些参数来实现不同的景深效果。
固定摄像头图像中测算目标距离和尺寸的算法
１ 引言
参数 是非常重要的 。目标的测距与 目标尺寸 的测量有直接 的
联系 。 目前研 究中的和应用 中的 目标测距方法有很 多种 ，但
立体视觉 是模 仿人类 的立体感知分析方法将双 目或多 目 摄像 头在 不同的视 点观 察同一景物，获取在不同视角下的 目
标 图像拍摄 的物 体二维图像 。通 过三角测量原理计算 图像像 素间的位 置偏 差即视差来获取景物的三维信息。立体视觉分
拍摄一系列的 目标图像 ，在这些 图像 中找 出 目标最清晰 的那
一
张图像，根据这张 图像 的拍摄参数 ，利用几何光学 的成像
器之间的传播 时间来计算物体与传感器之 间的距 离，该方法
比较适合于测量距离较远而精度要求 不高的物 体。另外非接 触主动测距法还可 以采用结构光场法 ，通 过测 量投 射在 目标 表面 的图案形变 ，采用三角测量 原理计算物体距 离，测量精
图像越模糊的原理，利用在不 同光学参数下拍摄 的两幅或三
【 作者简介 】陈大海 （９５ ） １７ 一 ，男，广 西大学计 算机 与电子工程学院讲师 ，研 究方 向为计算机视 觉。
．
１．
幅 图像来确 定散焦点扩散函数的扩散参数 ，根据散焦扩散参
数与物体距 离的关系来进行深度 计算 。 对焦测距 法和 散焦 测距法不需要寻找 目标对应特征点 ， 没有 了被遮挡 无法 测量 的问题。散焦测距法与对焦测距方法 比较起来 ，它 无需拍摄 大量图像，操作运算都是对局域 图像 进行 的，且计 算方法简单，运算速度快，所 以可高密集地测
图像 中获得物体深度信息的方法 根据物体散焦程度越大 ’ 。
主动测距方法优点是精确度 比较 高，缺 点是发射各 种波
镜头焦距的计算公式及公式图解计算方法
镜头焦距的计算公式及公式图解计算方法一、公式计算法：视场和焦距的计算视场系指被摄取物体的大小，视场的大小是以镜头至被摄取物体距离，镜头焦头及所要求的成像大小确定的。
1、镜头的焦距，视场大小及镜头到被摄取物体的距离的计算如下；f=wL/Wf =hL/hf：镜头焦距 w：图象的宽度（被摄物体在ccd靶面上成象宽度）W：被摄物体宽度L：被摄物体至镜头的距离h：图象高度（被摄物体在ccd靶面上成像高度）视场（摄取场景）高度H：被摄物体的高度ccd靶面规格尺寸：单位mm规格 W H1/3" 4.8 3.61/2" 6.4 4.82/3" 8.8 6.61" 12.7 9.6由于摄像机画面宽度和高度与电视接收机画面宽度和高度一样，其比例均为4:3,当L不变，H或W增大时，f变小，当H或W不变，L增大时，f增大。
2、视场角的计算如果知道了水平或垂直视场角便可按公式计算出现场宽度和高度。
水平视场角β（水平观看的角度）β=2tg-1= 垂直视场角q（垂直观看的角度） q=2tg-1= 式中w、H、f同上水平视场角与垂直视场角的关系如下： q=或=q 表2中列出了不同尺寸摄像层和不同焦距f时的水平视场角b的值，如果知道了水平或垂直场角便可按下式计算出视场角便可按下式计算出视场高度H和视场宽度W. H=2Ltg、W=2Ltg 例如；摄像机的摄像管为17mm(2/3in),镜头焦距f为12mm，从表2中查得水平视场角为40℃而镜头与被摄取物体的距离为2m，试求视场的宽度w。
W=2Ltg=2×2tg=1.46m 则H=W=×1.46=1.059m 焦距f越和长，视场角越小，监视的目标也就小。
二、图解法如前所示，摄像机镜头的视场由宽（W）。
高（H）和与摄像机的距离（L）决定，一旦决定了摄像机要监视的景物，正确地选择镜头的焦距就由来3个因素决定； *.欲监视景物的尺寸 *.摄像机与景物的距离 *.摄像机成像器的尺士：1/3"、1/2"、2/3"或1"。
镜头计算方式范文
镜头计算方式范文镜头计算是指根据特定的参数和公式来计算出一个摄像机镜头的焦距、视角、景深和可视范围等参数。
这些参数对于拍摄者来说非常重要，因为它们直接影响着摄影作品的呈现效果。
下面将逐个介绍镜头计算的各个参数以及计算方式。
1. 焦距（Focal Length）焦距通常用毫米（mm）来表示，它决定了拍摄的视角，即被摄体在画面上的大小。
较小的焦距会产生广角视角，可拍摄更多的画面，视觉效果较宽广；而较大的焦距则会产生长焦视角，视觉效果较为集中和放大。
镜头的焦距计算通常可以通过以下公式得到：Focal Length = Image Width / (2 * tan(Angle of View / 2))其中，Image Width表示画面宽度，Angle of View表示所需视角。
2. 视角（Angle of View）视角是指摄像机镜头可以拍摄到的画面范围，在摄影中通常使用水平视角来描述。
视角通常用度数（°）表示，它可以影响到摄影作品的逼真程度和效果。
较大的视角可以捕捉到更多的画面，具有广角的特点；而较小的视角则具有长焦特点，局限于画面的一小部分。
视角可以通过以下公式计算得到：Angle of View = 2 * arctan (Image Width / (2 * Focal Length))3. 景深（Depth of Field）景深是指照片中清晰的范围，即在照片中焦点距离前后一定范围内清晰的区域。
景深的大小受到多个因素的影响，包括焦距、光圈和距离等。
较大的光圈和较短的焦距会导致较小的景深，拍摄物体前后的背景会模糊；而较小的光圈和较长的焦距会导致较大的景深，使整个画面都能保持清晰。
景深的计算需要知道以下参数：焦距、光圈、距离和相机传感器类型。
计算景深的公式复杂且多样。
其中，一种常用的计算公式为：Depth of Field = (2 * f² * N * CoC) / (S * S)其中，f表示焦距，N表示光圈值，CoC表示圆形光斑直径（也称为Circle of Confusion），S表示距离。
摄像机焦距和视场角计算
摄像机焦距和视场角计算摄像机焦距和视场角是常用的摄影和摄像术语，用于描述摄像机镜头的属性。
摄像机焦距是指摄像机镜头的光学焦点到图像传感器（或胶片）的距离，通常以毫米（mm）为单位表示。
焦距决定了摄像机的视场角度，即摄像机镜头能够捕捉到的景物范围。
在计算摄像机焦距和视场角的过程中，首先需要了解以下几个概念：1.传感器尺寸：摄像机传感器是指将光线转换为电信号的装置，通常有不同尺寸的传感器可选择。
传感器尺寸较大的摄像机具有更高的分辨率和更好的低光性能。
2.画幅尺寸：画幅尺寸是指摄像机拍摄到的画面范围的宽度和高度，通常以横向和纵向的长度表示。
3.视场角（FOV）：视场角是指摄像机能够捕捉到的画面范围，通常以水平、垂直或对角线的度数表示。
视场角越大，摄像机可以捕捉到的范围就越广。
接下来，我们将介绍计算摄像机焦距和视场角的几种方法：1. 透镜公式法：透镜公式法是根据透镜公式计算焦距的方法。
透镜公式表示为1/f = 1/d0 + 1/di，其中f表示透镜焦距，d0表示物距，di 表示像距。
在摄像机中，物距可以近似等于无穷大（对于远离摄像机的物体），因此透镜公式可以简化为1/f ≈ 1/di。
通过测量成像距离di，就可以得到透镜的焦距f。
2. 画幅倍率法：画幅倍率法是基于不同画幅尺寸之间的比例关系计算焦距的方法。
通常，标准35mm画幅（36x24mm）被认为是基准画幅，其焦距与其他画幅下的焦距之间存在倍数关系。
通过将标准35mm画幅的焦距与其他画幅下的焦距进行比较，可以计算出与之相对应的焦距。
3.视场角计算：一旦得到了焦距，就可以通过以下公式计算视场角：视场角 = 2 * arctan（0.5 * 画幅尺寸 / 焦距）其中，arctan表示反正切函数。
视场角可以通过焦距和画幅尺寸来计算，可以根据需要计算水平、垂直或对角线的视场角度。
需要注意的是，焦距和视场角之间存在一种相反的关系。
焦距越短，视场角越大，焦距越长，视场角越小。
摄像基础ppt课件
从早期的胶片摄影机到现代的数字 摄像机，经历了模拟信号到数字信 号的转变，摄像技术不断革新发展。
摄像机类型与特点
摄像机类型
根据使用场合和拍摄需求，摄像机可 分为家用摄像机、专业摄像机、广播 级摄像机等。
特点
不同类型摄像机在画质、功能、稳定性 等方面存在差异，专业摄像机和广播级 摄像机通常具有更高的画质和更丰富的 功能。
不同景别在表达中作用
远景
展示广阔空间，交代环境背景，抒发情感。
特写
突出某一局部细节特征，强化观众注意力。
全景
表现人物全身或场景全貌，强调主体与环 境关系。
近景
刻画人物面部表情和细微动作，揭示内心 活动。
中景
表现人物半身或局部细节，突出动作变化 及人物之间交流。
场景调度原则和方法探讨
• 场景调度定义：通过对拍摄场地、演员表演、灯光照明等元素 进行合理配置与调度，实现画面构图、视觉效果和故事叙述等 目标。
夜间拍摄
选择合适的人工光源， 调整光线方向和强度，
营造所需氛围。
使用三脚架和慢门速度， 捕捉低光环境下的细节
和氛围。
PART 03
构图技巧与实例分析
常见构图方法介绍
规则分割法
将画面按一定比例分割，如黄金 分割、三分法、九宫格等，使主 体位于分割点或线上，达到视觉
平衡。
对称法
利用对称元素构建画面，如左右 对称、上下对称、中心对称等， 营造稳定、和谐的视觉效果。
作品三
作品四
《城市天际线》，运用引导线法构图，以天 际线为引导线将观众视线引向远方的高楼大 厦，表现出城市的繁华与壮阔。
《窗前的少女》，采用框架法构图，以窗户 为框架突出少女形象同时利用窗外景色与室 内环境形成对比增强画面层次感。
摄像基础知识专题讲座
摄像基础知识专题讲座一、初学摄像应注意的问题二、摄像机的基本结构与原理三、固定拍摄与运动拍摄四、镜头配置与场面调度五、画面的组接原理六、剪辑中的结构与节奏七、分镜头稿本的制作1.稳为了保证画面的稳定，不论是固定镜头还是运动镜头，在拍摄过程中必须保持摄像机机身的相对稳定。
肩扛摄像机的正确姿势和方法是：第一步：正对被摄物，两脚自然分开与肩同宽，身体挺直站立，重心落在两脚中间。
右肩扛摄像机身（一般便携式摄像机的底部都有肩托，使其跨落在肩上），右手把在扶手上，并操作电动变焦以及录像机的启停，右肘放在胸前，作为摄像机的一个支撑点。
左手放在聚焦环上，进行焦点调节。
第二步：右眼贴在寻像器遮光罩上，通过放大镜观着寻像器中的被摄图象，这时眼睛也是使摄像机稳定的一个重要支撑点。
固定拍摄时左眼可以闭上或睁开，但移动拍摄时必须睁开，观看周围的景物情况。
第三步：1 / 21在录制前，先吸足一口气憋住再启动录像机，录制期间应尽量屏住气不要呼吸，直到这个镜头录完为止。
因为肺部呼吸的起伏有可能会影响肩上的摄像机。
拍横摇运动镜头时，两脚不动，身体扭向侧面从起幅开始拍摄（运动镜头开始留有一定时间的固定镜头为起幅），然后随着身体转回到正面，摄像机也摇向正面，最后落幅（运动镜头结束时留有一定时间的固定镜头，为落幅）是落在身体的正面。
若按相反顺序扣摄，身体最后可能会失去平衡而导致画面不稳。
2.清为保持画面清晰，首先应保证摄像机镜头清洁，然后就是调整聚焦。
无论是拍摄远处还是近处的物体，都要先把镜头推到焦距最长的位置，调整聚焦环使图象清晰，因为这时的景深短，调出的焦点准确，然后再拉到所需的合适的焦距位置进行拍摄。
3.平通过寻像器看到的景物图形应该横平竖直，即景物中的水平线应与荧光屏横边框相平行，垂直线与竖边框相平行。
4.准准是指根据录制内容的要求准确地摄取一定的景物范围，也就是说通过一定的画面构图能准确地向观众表达出你所要阐述的内容。
5.匀匀是指摄像机在运动拍摄时速度要匀，以保证节奏的连续性。
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波器h的傅里叶变换系数
理论分析
图像超分辨率的问题就是如合从所有的可
-12-
行解中找出一个最合理的结果出来。例如： 在所有解中可以找一个x的全部值相同的 解，找一个具有最小能量的解
y DFh x (n)
提
1
纲
-13-
背景介绍
理论分析 图像超分辨率方法介绍
2
3 4
展望\单像素相机
图像超分辨率方法介绍
提
1
纲
-6-
背景介绍
理论分析 图像超分辨率方法介绍
2
3 4
展望\单像素相机
理论分析
场景发 射/反射 出光线
-7-
光线 传输
镜头 汇聚
曝光
t )
y(t ) S{ h(t; )x( )d } n(t )
理论分析
y(t ) S{ h(t; )x( )d } (t )
r1 r0 r1
r2 a1 r1 a2 其中：ri E( X t X t M ) r0 a3
图像超分辨率方法介绍
图像的AR模型
-16-
a arg min( xi
xi W
t 0,1,2,3
a1 xi M xi(8) M 4 (8) xi M 1 4 a2 xi M 1 a3 xi(8) xi M M 4 a4
简记为：Axi ai xi , Bxi bi xi
Burg的最大熵原理表明: 满足如下约束
-14-
EX i X i k ak , k 0,1,..., p, for all i
的最大熵随机平稳过程{Xi}是p阶的 Gauss-Markov 随 机过程
X i ak X i k i
k 1
p
i N (0, 2 )
-1-
计算摄像学专题第八讲(上)
—— 图像超分辨问题研究
戴琼海 付长军 清华大学 自动化系 2011-03-18
引言
随着计算机的迅猛发展，信号处理理论的
-2-
不断增强，现代成像技术不再仅仅依赖那 些能工巧匠，还需要强大的理论知识作为 指导。计算摄像学就是在信号处理的基础 知识上研究如何有效成像的一门交叉学科
at xi(8) t ) bt xi(4) t )
b arg min( xi
xi W
t 0,1,2,3
图像超分辨率方法介绍
图像插值常用的六边形窗
-17-
图像超分辨率方法介绍
a arg min( xi b arg min( xi
t 0,1,2,3
-18-
当系统响应函数中包含零点时，采集到的图像中与 零点所对应的频率将不可恢复：
Y (u, v) H (u, v) X (u, v) (u, v)
理论分析
图像超分辨率的病态性（矩阵分析角度）
-11-
y DFh x (n)
DFh不满秩，在求解x的过程中，解不唯一 当Fh为循环卷积矩阵时，其奇异值即为滤
-8-
数 学 描 述
y(t )
h(t; )x( )d (t )
y ( n ) h ( n k ) x ( k ) ( n)
y Fh x (n) 或y DFh x (n)
Y (u, v) H (u, v) X (u, v) (u, v)
曝光
原始图像 （CCD/CMOS）
散射 折射
镜头 畸变
积分 效应
不同形式 的图像： 电视 相片 画报 等等
成像过程受到多种干扰 主要通过算法实现
背景介绍
原始图像 （CCD/C MOS）
-5-
红色通道
绿色通道
蓝色通道
图像超分辨率技术
需要的图像
图像超分辨率技术还被广泛应用于不同分辨率图像 之间的转换，亚像素运动/视差估计等问题中
图像超分辨率方法介绍
理论分析
图像超分辨率的病态性(信息量角度)
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信息量 自然场景
信息量 低分辨率图像
先 验 知 识
信息量 信息量 高分辨率图像
根据最大熵原理，随着对现实场景处理的加深，图像熵将会 增大，所得到的数据中包含的信息量将减少，为了从低分辨 率图像恢复出高分辨率图像，必须引入新的先验信息
理论分析
图像超分辨率的病态性（信号处理角度）
自然图像往往具有分段平稳特性，AR系数变换缓
慢。因此，可以利用AR（autoregressive）模型 来解决图像超分辨等一些问题。
图像超分辨率方法介绍
现代信号处理理论中的AR系数估计方法
-15-
X i ak X i k i
k 1
p
Yuler-walker 方程
r1 r0 r2 r1 r3 r2
通过对图像超分辨率的学习，希望大家能
对基础理论与实际应用（计算摄像学）之 间的差距有一个直观认识，学会用 “Vision”的方式来思考问题。
提
1
纲
-3-
背景介绍
理论分析 图像超分辨率方法介绍
2
3 4
展望\单像素相机
背景介绍
-4-
成像结果
不同显示设备
场景发 射/反射 出光线
光线 传输
镜头 汇聚
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香农乃奎斯特采样定理：当采样频率应该不小于奈 奎斯特频率(即模拟信号频谱中的最高频率)的两倍 时，可以不失真地恢复模拟信号。由于现实图像只 是可以近似看做具有带限性，很难恢复出真实图像。
sin( (t nTS ) / TS ) x(t ) x(nTS ) (t nTS ) / TS
ax ) bt xi(4) t )
(8) t it
t 0,1,2,3
(8) xi(8) x M 1 iM 2 (8) (8) x x i M 11 i M 1 2 (8) (8) x x iM 2 i M 1
xi(8) M 3 xi(8) M 1 3 xi(8) M 3