计算摄像学专题第8讲(下)
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。
摄像基础ppt课件
制作方法
使用内置效果、自定义效果、结合 其他软件制作等
应用举例
电影片头、广告宣传片、MV等中的 特效应用
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输出格式选择和发布渠道建议
输出格式
常用视频格式如MP4、AVI、 MOV等，以及不同分辨率和编
码设置
发布渠道
社交媒体、视频网站、电视台等 不同平台的发布要求和规范
宣传推广
利用社交媒体和线下活动等方式 进行作品推广和宣传
20
运动镜头在叙事和表意中作用
2024/1/25
叙事作用
运动镜头可以连续地展示时间和空间的变化，从而推动故事情节的发展。通过运 动镜头的运用，可以交代故事发生的时间、地点、人物以及事件的发展过程。
表意作用
运动镜头可以通过不同的运动方式和节奏来表现不同的情感和氛围。例如，快速 的推镜头可以表现紧张、激动的情绪；缓慢的拉镜头则可以表现宁静、深远的意 境。
2024/1/25
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摄像定义及发展历程
2024/1/25
摄像定义
使用摄像机记录影像的过程，涉 及光学、电子学、计算机科学等 多个领域。
发展历程
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。
4
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。
符合剧情需要
根据故事内容和情节发展要求，合理安排场景调度。
突出主题
通过场景调度突出故事主题和人物形象特点。
2024/1/25
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场景调度原则和方法探讨
2024/1/25
• 视觉美感：注重画面构图和色彩搭配，营造视觉 美感。
8.1图像相减
IB
)
§ 1. 图像相减
a.空域编码频域解码相减方法 4.数学模型：
I1
I2
1 2
(
IA
IB
)
R 2
( IA
IB
)
R 4 [sin( 2 π x ) 1 sin( 3 2 π x ) ]
π
x0
3
x0
胶片记录的总光场中高频成分的振幅是受两幅图像相减信号的调制的。
§ 1. 图像相减
a.空域编码频域解码相减方法
§ 1. 图像相减
§ 1. 图像相减
c. 图像相减的应用：
输入平面的光场分布
空间滤波前输出平面 上的光场分布
空间滤波后输出平面 上的光场分布
第二次曝光是光栅的透过率函数为：
t' ( x ) 1 { 1 4 [sin( 2πx ) 1 sin( 3 2πx ) ]} 1 (1 R )
2π
x0 3
第二次胶片记录的光场为： I2
x0
IB t' (
x)
2IB 2
(1
R
)
两次曝光胶片记录的总光场为：
I1
I2
1( 2
IA
IB
)
R 2
(
IA
3.过程：
§ 1. 图像相减
a.空域编码频域解码相减方法
4.数学模型：
第一次曝光是光栅的透过率函数为：
t( x ) 1 { 1 4 [sin( 2πx ) 1 sin( 3 2πx ) ]} 1 (1 R )
2π
x0
3
x0
2
第一次胶片记录的光场为：
I1
IA t(
x)
IA 2
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。
计算摄像学专题第12讲
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的同学可以用Matlab尝试一下
光场相机的几项关键技术
如何保证不发生混叠？
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光场相机的几项关键技术
数字重聚焦(Digital Refocusing)
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数字重聚焦
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单张图像的Depth of Field增强
Light Field Camera 2005. Light field photography with a hand-held plenoptic camera 2010. Focused plenoptic camera and rendering Depth-Invariant Blur 1995. Extended depth of field through wave-front coding 2010. Flexible depth of field photography 2010. Diffusion coded photography for extended depth of field Depth-Varying Blur 2007. Image and depth from a conventional camera with a coded aperture
-1-
计算摄像学专题第十二讲 ——Depth of Field(DoF)
戴琼海 王雁刚 清华大学 自动化系
第十二讲提纲
一 问题的由来 处理方法——Tradeoff
2.1 多张图像拍摄
2.2 单张图像拍摄
-2-
二
三
本节课小结
什么是Depth of Field
什么是Depth of Field 反映透镜或相机的属性 物平面的共轭像平面上呈清 晰像的轴向深度
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。
计算摄像学专题 ppt课件
单张图像的Depth of Field增强 -33-
多张图像拍摄的关键技术 -30-
此方法分为两个步骤
分割—Graph-cut 融合—梯度融合方案
Graph-cut可以用户指定，也可全自动计算 梯度融合则是保证图像的视觉效果
第十二讲提纲
-31-
一 问题的由来
二 处理方法——Tradeoff
Байду номын сангаас
2.1 多张图像拍摄 2.2 单张图像拍摄
三 本节课小结
单张图像的Depth of Field增强 -32-
多张图像拍摄增加Depth of Field，只能针 对静态场景
如何实时地增加动态场景的Depth of Field 成为一个棘手的问题
问题是：
能否利用单张图像增加Depth of Field？
答案是：
这是可以做到的，我们将重点介绍几类单 张图像Depth of Field增强的方案
增大Depth of Field的技术手段是否可以按 照如下思考的方式
多张图像拍摄：相机分别聚焦于不同平面，
然后融合拍摄的多组图像?
单张图像拍摄：
捕获光场，重新积分不同角度的光线，得到图像? 想办法使得单张图像的整体模糊与深度关系可控?
如，模糊核一致或模糊核清楚地知道
第十二讲提纲
-26-
一 问题的由来
……
多张图像拍摄的关键技术 -28-
融合多幅图像信息，以期望获得更大景深 的效果是一种很直观的想法
这里仅做简要介绍，感兴趣的同学可翻阅 相关的视觉文章
牺牲时间，换取景深。该想法关键问题是
如何融合不同焦
距平面上的图像？
多张图像拍摄的关键技术 -29-
SIGGRAPH 2004 Interactive Digital Photomontage
研究生学术与职业素养讲座题库
本讲中，所举的创新型人才示例，不包括下列哪个？@@@ 比尔盖茨乔布斯钱学森袁隆平本讲从水利科技创新的例子、水利的发展、大学的创新精神三个方面阐述了创新思维与专业研究正确@@@ 错误关于本讲谈到的创新精神，下列说法中正确的有哪些？死守前人经验@@@ 源于严谨的学风@@@ 注重科研诚信严格保密，拒绝交流讲者认为的我国制造科学与技术与工业发达国家相比的阶段性差距不包括下列哪个？自主创新能力不强资源紧张@@@ 人工成本高环境问题严重讲者引用了苏轼、范仲淹等人的诗句告诉我们在科研中要有崇高的理想和奉献精神。
正确@@@ 错误讲者认为制造科学与技术的发展趋势包含哪些：@@@ 与高新技术融合大规模批量生产@@@ 信息技术的应用大量采购国外成品讲者将生产、消费、资源开发利用等比喻成（），形象的说明人类发展过程中对全球环境的破坏性行为。
看不见的手@@@ 看不见的脚车轮洪水讲者认为，古文明消失发现发生于地球的局部，但是今天人类面临的问题大都是全球性问题。
@@@ 正确错误下列哪些方面是讲座中重点讲述的部分？@@@ 可持续发展世界政治格局@@@ 人类的起源社会主义经济理论按照讲者的介绍，下面不属于面向产业的学科是？水利工程电气工程电子信息@@@ 哲学讲者认为，培养适应性产业发展的人才，一般需要将理论与实践结合，工程与科学结合，技术与管理结合。
@@@ 正确错误讲者谈到的科研能力的含义，都包含下列哪些？@@@ 学习能力@@@ 实践能力@@@ 创新能力宣传能力下列哪一个方面是讲者在本讲中未涉及到的？制造业的发展与创新要求技术发展的内在规律纳米碳研究中的科学与工程@@@ 能源发展与环境问题讲者提到的对人类贡献最大的化工技术是FCC过程@@@ 正确错误下列哪些新技术是讲者在讲述中举例提及过？@@@ 碳纳米管技术纳米光催化技术@@@ 锂硫电池纳米富集技术下列哪项国际前沿实例是本讲中讲者未曾提到的？谷歌无人驾驶汽车无人机自主编队、协同@@@ 纳米技术飞秒技术讲者谈到，计算摄像学的目的是更高效的获取更丰富的视觉信息。
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二 三
四
计算传感的高动态成像
-35-
四 计算传感的高动态成像
更为有效的场方式景采集
更为真实的场景内容再现
无眩光效果的高动态范围清晰成像
• 镜头组散射 • 镜头筒反射 • 光圈反射
-36-
• 光圈反射 • 光圈衍射 • 传感器反射
提纲
一 高动态场景成像需求 高动态范围图像捕获 高动态范围图像显示
二 三
四
计算传感的高动态成像
-22-
三 高动态范围场景重现
高动态范围场景显示
-23-
三 高动态范围场景重现
高动态范围场景显示
现实场景
典型值： 类似于：
照机
显示终端
-24-
三 高动态范围场景重现
高动态范围场景显示
现实场景
三 高动态范围场景重现
高动态范围场景显示 – 局部映射
图像成像模型
成像信息
反射率
光照
不同材质的反射特性变化幅度相对较小(100:1) 不同场景区域的光照强度差别很大
-29-
分离R / L 分量 仅对光照分量进行映射操作
保持场景局部对比度
三 高动态范围场景重现
高动态范围场景显示 – 局部映射
更为真实的场景内容再现
眩光去除方法
• 在相机与场景间放置结构性
遮挡掩膜
-38-
(1) 场景 (2) 遮挡掩膜 (3) 拍摄相机
四 计算传感的高动态成像
更为有效的场方式景采集
更为真实的场景内容再现
HDR capture, 560:1
-39-
Process result, 22,400:1
-42-
四 计算传感的高动态成像
更为有效的场方式景采集
更为真实的场景内容再现
眩光场景成像模型
I Ideal GSFLens I Recorded
针对眩光区域希望恢复直接光照效果
眩光特性分析
Glare Spread unction
-37-
具有全局平滑特性
四 计算传感的高动态成像
更为有效的场方式景采集
高动态范围场景捕获 – 软件方法
已知： 未知：
N个像素点，P 幅图像 N个像素点， Zmax-Zmin+1个g值
平滑项
-15-
Recovering High Dynamic Range Radiance Maps from Photographs, Paul E. Debevec, Jitendra Malik, SIGGRAPH 1997
传统采集方式 已知曝光程度
-12-
响应曲线估计
构建高动 态范围图像
Recovering High Dynamic Range Radiance Maps from Photographs, Paul E. Debevec, Jitendra Malik, SIGGRAPH 1997
二 高动态范围图像捕获
采集
成像
场景特征的刻画与提取 结合人眼视觉感受的场景再现
捕获更为丰富的场景信息 + 数据合理利用
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课程作业
利用单反相机进行拍摄实验 实验探索静态场景的曝光时间，光圈和动态范围 之间的关系 自行选景拍摄 提交实验结果及分析报告 详细信息见网络学堂
-41-
Thanks！
二 高动态范围图像捕获
高动态范围场景捕获 – 软件方法
若
单调并可逆
-14-
Recovering High Dynamic Range Radiance Maps from Photographs, Paul E. Debevec, Jitendra Malik, SIGGRAPH 1997
二 高动态范围图像捕获
传统成像系统
输出参考标准
• 传统图像采集/表示过程使用的色彩过程由特定的显 像设备所决定
传统显示技术 传统图像存储格式
显示能力有限， 高动态的数据采 集没有意义！
由真实场景特性所决定的图像采集/记录方式
-7-
一 高动态场景成像需求
充分体现场景亮度变化，接近人眼观察效果
弱光照区域呈现场景细节 强光照区域避免过曝
计算摄像学专题第八讲(下)
——高动态场景成像问题研究
戴琼海 李冠楠 清华大学 自动化系 2011-03-18
-1-
提纲
一 二 高动态场景成像需求 高动态范围图像捕获 高动态范围图像显示
三
四
计算传感的高动态成像
-2-
一 高动态场景成像需求
-3-
一 高动态场景成像需求
场景光照强度
真实世界场景的动态范围往
-20-
二 高动态范围图像捕获
高动态范围场景捕获 – 硬件方法
多CCD元件用于同一像素点成像
空间分辨率
-21-
动态范围
High Dynamic Range Imaging: Spatially Varying Pixel Exposures, Shree K. Nayar, Tomoo Mitsunaga, CVPR 2000
场景参考标准
• 传感器采集
• 压缩存储
• 显示设备绘制
高动态
-10-
非线性
真实感
提纲
一 高动态场景成像需求 高动态范围图像捕获
2.1
2.2
二
软件处理方法 硬件捕获方法
三 四
-11-
高动态范围图像显示 计算传感的高动态成像
二 高动态范围图像捕获
高动态范围场景捕获 – 软件方法
不同曝光程度 多幅图像采集
2.1
2.2
二
软件处理方法 硬件捕获方法
三 四
-18-
高动态范围图像显示 计算传感的高动态成像
二 高动态范围图像捕获
高动态范围场景捕获 – 硬件方法
不同空间位置同时进行不同曝光程度的场景采集
-19-
High Dynamic Range Imaging: Spatially Varying Pixel Exposures, Shree K. Nayar, Tomoo Mitsunaga, CVPR 2000
典型值： 类似于：
照相机
显示终端
-25-
三 高动态范围场景重现
高动态范围场景显示 – 全局映射
映射函数与像素位置无关：
仅对亮度信息进行映射 保持色彩关系不变
-26-
色调映射：对高动态图像的量化过程
三 高动态范围场景重现
高动态范围场景显示 – 全局映射
色调映射(Tone Mapping)函数设计：
二 高动态范围图像捕获
高动态范围场景捕获 – 软件方法
将各像素的多曝光成像信息链接为光滑、单调曲线
-16-
Recovering High Dynamic Range Radiance Maps from Photographs, Paul E. Debevec, Jitendra Malik, SIGGRAPH 1997
三 高动态范围场景重现
高动态范围场景显示 – 局部映射
反射率分量提取： 双边滤波器
(Bilateral Filter)
映射过程
映射过程中不 改变场景的局 部对比度
-32-
Fast Bilateral Filtering for the Display of High-Dynamic-Range Images, Fredo Durand, Julie Dorsey, SIGGRAPH 2002
二 高动态范围图像捕获
高动态范围场景捕获 – 软件方法
-17-
Recovering High Dynamic Range Radiance Maps from Photographs, Paul E. Debevec, Jitendra Malik, SIGGRAPH 1997
提纲
一 高动态场景成像需求 高动态范围图像捕获
高动态范围场景捕获 – 软件方法
采集图像 相机曲线 真实场景
位置(x,y)的辐照度 相机响应函数 场景点(x,y)在图像中的像素值 -13-
Recovering High Dynamic Range Radiance Maps from Photographs, Paul E. Debevec, Jitendra Malik, SIGGRAPH 1997
忠实地再现原始场景的视觉感受
充分利用可用的显示级别
场景真实感
直方图均衡化
: 用于函数设计的像素数
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: 可用显示级别数目
三 高动态范围场景重现
高动态范围场景显示 – 全局映射
-28-
TM结果 真实感映射 直方图均衡化 Learning to display high dynamic range images, Guoping Qiu, Jiang Duan, Graham D. Finlayson, Pattern Recognition 2007
高动态范围场景显示 – 局部映射
-34-
局部映射 全局映射1 全局映射2 Gradient Domain High Dynamic Range Compression, Raanan Fattal, Dani Lischinski, Michael Werman, SIGGRAPH 2002
提纲
-8-
一 高动态场景成像需求
高动态范围场景成像
场景参考标准
成像过程对现实场景可被观察到的真实 亮度进行记录 记录全阶色彩变化及原始场景的动态范 围，而不局限于传统显示设备的子空间范围