深入理解相机原理
深入理解相机原理
本文将深入探讨相机成像原理，从成像方式、透镜性质到相机三要素（光圈、快门、ISO感光度），再到景深、图像传感器等核心概念。通过本文，读者将能够理解相机成像的基本原理，并掌握提升拍照技术的关键要素。
成像的方式
（回顾一下初中物理）
成像的两种方式：
小孔成像（也不能太小，太小会发生衍射现象），成像质量差，一个点一次只能记录一条光路，但有个好处是拍的清楚（注意这个词，不是清晰），不会虚化（后面会详细讲到）。
透镜成像，成像质量好，一个点一次能记录大量光路，应用在成像的各个方面，拍照、投影等，由于存在景深的性质，所有些时候会拍模糊。
（引用自Game101课程）
透镜
焦距&等效焦距
焦距：焦点到透镜的距离，
等效焦距：（这块看不懂的话，可以等看完下一章节的视场之后再看）镜头的实际焦距所对应的35mm（以前胶卷的长度）照相机镜头的焦距。之所以有等效焦距是因为35mm相机是以前用的最多的，现在的数码相机，手机的传感器都比较小，小米13 Ultra 所谓业界手机最大的底折算下来才20mm左右，换算成这个等效焦距就知道最佳拍摄位置是多少。
比如小米13的后置主摄像头实际焦距是9mm左右，等效焦距是23mm。
透镜的性质
平行光会过焦点
过焦点的光会变平行
过中心点的光线不会被改变
根据相似三角形可以计算出来：1/物距 + 1/像距 = 1/焦距。
思考：
问题1：如果成像平面不在像距上会发生什么?
问题2：人眼也是透镜，为什么人眼看到的物体不是倒着的？
问题3：给你两个大小一样的透镜，透镜的焦距越大越好还是越小越好？
Demo
相机成像
相机的三要素是光圈、快门、ISO感光度，照片是否清晰取决于景深，然后最终决定一张照片的大小质量还是取决于传感器，下面会挨个将一下这些概念。理解了这些概念，拍照水平就会有巨大的提升。
光圈&F数
光圈数一般用“f/数字”的形式表达，因为是倒数的形式，所以数字愈小，代表光圈数愈大，但是F数并不是光圈的大小。光圈不一样大的镜头 F 数也是有可能相等的，这里一定要区分开 光圈大小≠F数。
F = 镜头的焦距/镜头口径的直径。
这个值是一个无量纲值，用来衡量聚光的强弱，这个值越小，说明聚光能力越强，跟体重/身高比类似。主要影响的是图片的 清晰度 和 景深。单反相机是可以调整的，但是对于手机而言，光圈大小都是固定了一个最大值，不可调节。对于单反相机而言，同等焦距的情况下，最大光圈数越大，价格越贵，以徕卡镜头为例，比如50mm左右焦距，最大光圈数在f/1.0（折合直径5cm，一般相机在这个镜头外面还要包一些外壳跟镜片，实际看起来可能是10cm，甚至更多）左右的光圈价格在10w左右，f/1.8左右的在4w左右。同理，最大F数不变的情况下，镜头越大越贵，一款镜片直径达到15cm，f/2.8的镜头基本上就在10w左右了。
如果想要用单反拍出大面积的虚化效果，光圈数调到最大。（具体原理在景深处会详细解答，手机的虚化效果是用算法实现的，后面也会详细解释）
（引用自zhuanlan.zhihu.com/p/60648550）
思考：为什么要用这么难用的计数方式记录光圈的大小？
快门
用来控制曝光的时间，一般用1/x 秒表示，快门越慢，曝光时间就越长，快门越快，曝光时间就越短。
如果拍摄 运动 的物体（也适合自身在运动，拍静止的物体），在保持图片可以看清的前提下，快门速度 越快越好。一般相机跟手机的快门时间最小都可以到1/4000秒，假设用这个快门速度在300km/h的高速上拍一个路人，大概会有2cm的一个残影，拍整个人的轮廓还是没问题的，脸部的细节是没法看了。
如果要拍摄 觉得图片太亮了，想要暗一些的照片，快门速度调快，让进的光少一些。
如果要拍摄物体的运动轨迹，快门速度调慢即可。
ISO 感光度
顾名思义，这个就是用来控制感光强弱的。对于曝光时间不足的场景，通过提高感光能力，来达到同样的曝光量。ISO是把双刃剑，它在提升感光能力的同时，也会提升噪音的影响。
ISO 感光一般还会分为，原生感光与扩展感光，原生感光是从硬件层面去控制，扩展是软件控制。这里就不细说了。
光线充足的情况下，这个值尽可能调低，光线暗的时候，这个值可以适当调高，如果拍星星月亮，一般就需要调到最大了。
三要素总结
直接上最经典的图：
视场
讲完了三要素，接下来讲如何拍更大范围的图像。
根据下图可以看出来，整个相机拍摄的范围跟光圈的大小是无关的，只跟传感器的大小与距离有关（像距）。根据上面的章节，我们知道传感器是不能无限放近的，它的距离一定是要大于焦距的，所以决定相机拍摄广度的主要因素还是焦距，所以一般手机厂商都会把自家的焦距类比到35mm的底片上去谈等效焦距。焦距可以通过棱镜组无限变大，但是无法让它变小。
图像传感器
相机的传感器现在一般都是使用 CMOS ，当然也有很多采用其他传感器的，本文只讨论CMOS，它会把光信号转换为电信号。理论上传感器的尺寸越大，相片的解析力就越强，在摄影圈里，经常听到一句话，那就是“底大一级压死人”。由于机身厚度问题，手机的底也做不了太大，小米12S Ultra采用了IMX989，就导致了机身厚度增加了不少。
传感器的尺寸一般用英寸表示，比如1" 、1/28"、1/1.56"等。
下面是主流的手机传感器尺寸，手机的图像传感器比例一般都是4:3，所以想在不牺牲体验的情况下，竖着手机拍出横着的画幅是做不到的。
传感器有几个容易混淆的误区
1 第一个值越小，代表的底片越大。1英寸的面积是接近1.28的两倍。
2 不是像素越多越好，单反的底片远大于手机，像素一般就2000w左右，而手机动辄1亿像素。而单反的成像效果远高于手机。主要是因为单反单个像素的感光面积比手机单个像素的大很多。不提高感光面积，1亿像素就是白瞎。并且当感光原件尺寸太小的时候，会发生衍射现象。感光原件太小还会引来其他问题，这里就不详细讨论了。
景深
景深是指相机可以拍摄清楚的区域，景深的大小取决于COC的大小。
COC（弥散圆）
一个点如果不是完美的在 物距上，最终展示在传感器上的就是一个圆，如果这个圆特别小或者在可接受范围内，那么就不影响最终的成像。
计算COC的大小
(图片来自 games101)
景深的计算
Aperture-dia（光圈直径D）
Focal Length（f）焦距
F-Number(f数，用N表示，值= 焦距/光圈的直径 )
Subject Distance（U）
Circle of Confusion(C)
一个不是很严谨的公式 景深 =2NCU^2 /f^2= **2CU^2 /**fD
结论：光圈D 越大，景深越小，焦距f越大、景深越小。
生活小常识：近视眼不戴眼镜的话，眯起眼睛看东西往往看得清楚一些。这就是：缩小光圈（瞳孔），增加景深。
手机相机补充
手机的一个发展史其实也是一个相机的发展史。中间经历了单摄、双摄、广角、长焦、潜望式长焦、微距等等，并且还在持续的发展与创新。
手机的景深
在之前的章节有提到过，手机的光圈太小，景深是很大的，很难形成虚化效果。但是市面上的手机大多数都支持景深，又是怎么回事？
手机能实现景深主要是通过算法实现，通过双摄测距，然后再计算虚化效果，整个原理跟人眼判断距离基本上相似。人眼可以大致判断出物体到左右眼的夹角，并且左右眼距离已知，那么距离也就知道了。
手机通过双摄拍摄两张照片，计算出距离，并模拟最终的虚化效果。
广角成像
百度百科：广角镜头是一种焦距短于标准镜头、视角大于标准镜头、焦距长于鱼眼镜头、视角小于鱼眼镜头的摄影镜头。广角镜头又分为普通广角镜头和超广角镜头两种。
如果看明白了上一章的 视场 内容，就应该知道，拍摄范围是跟焦距有关系的，焦距越小，拍的越广。
单独用广角摄像头成像的最终结果，就像鱼眼镜头的成像相似，整个画面是一种畸形的形状，一般手机厂商都是通过与主摄的融合，产生一个比较正常的图像，图像的中间大部分区域都是使用主摄拍摄内容，四周使用广角摄像头填补，但是四周还是有些许的形变。
长变焦
由于主摄像头为了保证一个最大的底片，镜头已经尽量做到最薄了，一般都不会让主摄去变焦。所以就有了长变焦，一般通过加几个棱镜片，来提升焦距，再配上一个小一点的底片，这样就能实现变焦。但是由于机身的厚度不能做到太厚，所以一般长变焦也就2倍的光学变焦，再配合上图片的放大，乘上个10倍数字变焦，也能达到20倍的超远变焦。
潜望式长变焦
为了让长变焦变的更长，常规方法已经没用了。只能另辟新径。
这个技术是谁先提的争议很多，这里就不探讨了，但是第一次将其发扬光大的属于华为，19年 p30 横空出世，50倍变焦成为最吸引眼球的点，可以说是当年最火的机型。
在这之前一般都最多做到20倍变焦，2倍光学，10倍数字。通过潜望式变焦，将光学变焦提到了5倍。潜望式长焦 变焦 通过将棱镜组竖着放置，再辅助一个小的图像传感器，这样棱镜组就可以最大化的将焦距变大。