MAXWELL相机篇.docx

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MAXWELL相机篇

MAXWELL中的照相机

前言

由于MAXWELL渲染器使用的相机完全模拟了物理相机，因此，为了解MAXWELL中相机的参数以及设置就必须先了解真实的相机构造和参数，以下内容整理自《美国纽约摄影学院摄影教材》一书，我们从相机的构造开始，逐步探讨相机的各个参数以及设置，最后我们还会讲到如何进行构图、照明，在附录部分我们还会讲到色彩理论，力求这本相机教程可以为那些半路出家的人提供最全面的指导。

相机的构造及主要参数

其他渲染器中使用的相机为针孔相机，其构造如下图：

这个相机就是在一个不透光的盒子的一面开一个小孔，将胶片放在盒子的另外一面。

简单的说所有照相机就是一个不透光的盒子。

对于针孔相机我们不再进行深入的讨论。

针孔相机前面的孔非常小，因此透过的光很少，也很难获得清晰的像。

但是这是照相机的基础，其他复杂相机都是在这个基础上不断完善发展出来的。

下面是一个用镜头代替针孔的相机原型：

使用镜头所带来的好处有两点：

1、镜头可以聚焦光束从而产生更清晰的影像。

2、镜头直径比针孔大很多倍可以允许通过更多的光线，因此在若干分之一秒内就可以获得适当的曝光。

MAXWELL中所使用的相机为真实的相机。

它的结构如下图所示：

1、不透光的盒子：

不允许不必要的光线进入。

2、镜头：

光学透镜系统聚集来自前面的光束，并在胶片上聚焦，形成清晰的影像。

3、胶片：

一种感光材料，经某些特殊的化学药品处理后，会把影像记录下来。

4、取景器：

能够把将要记录在胶片上的影像近似地显示出来，以指导摄影者瞄准和构图。

5、聚焦控制装置：

为了记录下清晰的影像需要调节焦点。

6、快门：

它控制进入照相机的光线的持续时间，是一个机械或者电子装置。

7、快门按钮：

用来操纵快门

8、光圈：

根据镜头孔径大小的变化，控制到达胶片的光量。

“虹膜”型的光圈是由一系列互相重叠的薄金属叶片组成的，叶片的离合能够改变中心圆形孔径的大小。

9、胶片输送机构：

输送胶片用的机构。

照相机的种类众多，35mm单反相机是比较流行的相机。

摄影中要控制的要素和调节的参数

简单的说摄影需要控制两个要素：

焦点和曝光时间。

（对于固定焦点的相机来说它只能拍摄距离相机远与某个距离的物体并获得清晰的影像。

）这两个要素都与镜头有关，是由于引入了镜头我们才能够更加灵活自如的调整和控制这些参数。

因此我们先从镜头特性开始谈起。

镜头特性

镜头有两个特性：

速度和焦距

镜头速度：

速度是指一个特定的镜头在特定的时间内所传送的光量。

传送的光量越大镜头越快。

照相机的光圈如下图所示：

它有一系列叶片组成，中间形成圆孔，调节叶片就可以调节光通过量。

孔径值是用一系列f值来表示的，通常在镜头上会标示出该镜头所允许的最大孔径，例如f/1,f/1.4,f/2等等。

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镜头的最大孔径值可以表示镜头的速度。

如果某镜头的最大孔径为f/2，则称该镜头为f/2镜头，以此类推。

对于不同的镜头，只要设定在相同的f值上则他们的光通量就是相同的。

孔径序列是按入下规律排列的：

1，2，4，8，16，32，64

1.4，2.8，5.6，11，22，44

后一个数字是前一个数字的两倍，整数由1开始，小数由1.4开始。

前面的f值比后面相邻的f值的光通量正好大两倍。

例如，f/1光圈是f/1.4光圈光通量的两倍。

镜头快的好处是在相同的条件下可以拍摄更加黯淡的景物。

上面这张图是用f/2光圈，1/30秒的快门速度拍摄的，具有较为适当的曝光。

我们在看下图，下图是用f/4光圈，其他条件不变，我们看到明显的曝光不足

需要说明的是镜头的快慢只是说明了镜头所能允许的最大孔径值，我们可以调整光圈以获得不同的孔径，两只快慢不同的镜头，只要我们将光圈孔径设置到相同的数值上，则他们的拍摄时候的光通量是一样的，快慢也是一样的。

在没有更快的镜头的情况下如何拍摄黯淡的景物呢？

其中一个办法是使用感光度更高的胶片，关于胶片以后我们再来谈。

为了加深理解，我们再来看看一组在相同条件下，不同镜头孔径下所拍摄的照片：

镜头焦距：

镜头焦距就是镜头中心到胶片平面上所成的清晰的像之间的距离。

（注意清晰这个词）

镜头焦距决定了被摄物体在胶片上所成像的大小。

以相同距离拍摄物体，则焦距越长，所成像的尺寸就越大。

例如使用100mm焦距拍摄相同的物体则相片的长度和宽度都是相同条件下50mm焦距拍摄所得相片的2倍。

孔径和焦距的关系：

任意两个镜头只要孔径相同，则通过的光量就相同，但是我们不能仅仅关心光通量，我们事实上需要关心的是通过镜头并到达胶片的光线。

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显然镜头与胶片的距离越大，则到达胶片的光就越弱。

通常焦距越短则到达胶片的光就越多。

但是如果拍摄是为了计算光通量需要考虑孔径和焦距两个变量就很困难。

事实上f制的孔径已经考虑到了焦距和孔径两个因素，也就是说相同的f值孔径就代表了相同的光通量，它是综合了孔径和焦距两种因素的结果，它代表的就是到达胶片的光通量。

焦距与影像大小的关系

简单来说焦距与影像大小成正比关系，也就是说，焦距增大一倍，则影像增大一倍。

下面是一组在相同距离用不同焦距拍摄的景物：

从这组照片可以看出，用20mm焦距镜头拍摄的照片可以得到更大范围的景观，而400mm焦距镜头拍摄的照片只是场景中某个局部的远景景观。

我们把50mm焦距镜头成为标准镜头。

这个焦距就是人眼观察周围场景时所得的影像。

对于一架照相机而言，多大的焦距属于标准焦距这还取决于所采用的胶片的大小，对于35mm的胶片，50mm的镜头被认为是标准焦距。

胶片越大，则产生覆盖标准视场的影像所需要的焦距就越长。

对于不同胶片的标准焦距如下图：

对于给定胶片尺寸而言，确定标准镜头的另外一种方法是测量画幅的对角线长度。

比如35mm胶片的对角线大约为50mm，于是标准镜头也为50mm；

无论胶片尺寸如何，我们要知道定义标准视场是用水平视角来定义的，而水平视角只与焦距有关，焦距越短则视角越大，焦距越长视角越小。

如下图：

注：

成像原理的物理学解释

各光线本身或其延长线交于一点的光束叫做同心光束，例如从一点光源发出的光束就是同心光束。

有若干反射面或者折射面组成的光学系统叫做光具组，例如平面镜（1个反射面），透镜（两个折射球面）。

如果一个以Q点位中心的同心光束经过光具组的反射或者折射之后转化为另一个以Q’点为中心的同心光束，我们就说光具组使Q成像于Q’。

Q称为物点，Q’称为像点。

若出射的同心光束是会聚的，我们则称点Q’为实像，过出射同心光束是发散的我们就称Q’为虚像。

设物距为s，像距为s’，焦距为f，则有如下公式：

1/s+1/s’=1/f

这个公式叫做薄透镜的高斯物像公式。

上述s和s’都是从透镜中心算起的，我们也可以从焦点算起，并将从焦点算起的物、像距记作x,x’，于是s=x+f,s’=x’+f’;

于是有：

xx’=ff’

这个叫做薄透镜成像的牛顿物像公式。

通常f=f’，因此有xx’=f2

横向放大率为V=-f/x=-x’/f,由这个公式我们知道，焦距增加一倍则像大小增加一倍。

记角放大率为W，则有VW=1；

焦距的精确定义：

焦距定义为聚焦于无穷远处时镜头的中心点到胶片平面间的距离。

这就是说镜头筒的长度大约就等于焦距。

注意：

焦距越长，则照相机必须把握的越稳以避免影像模糊。

经验准则是只有当快门速度至少等于镜头焦距毫米数的倒数时才能手持拍摄，在实际中我们把快门速度提高为这个数值的两倍。

镜头的透视效果：

1、被摄物体越远，显得越小。

2、镜头离被摄体越远，则被摄体外观尺寸上的变化越小

经过试验，85～135mm的镜头适合用来拍摄肖像。

聚焦

现在谈谈摄影中最核心的问题之一。

这一部分我们讨论如何获得完美的焦点。

镜头聚焦的一种方法是测量被摄体的距离，然后根据这个距离设置镜头。

使用聚焦标尺并转动镜头筒对准相应的距离数值就可以实现精确的聚焦。

另外在取景器中可以看到双圆环，用裂像式或者重影式显示方式来指示目标是否已经被聚焦。

景深

当某一物体聚焦清晰时，从该物体前面的某一段距离到其后面的某一段距离内的所有景物也都是相当清晰的。

焦点相当清晰的这段从前到后的距离就叫做景深。

控制景深的方法如下：

1、孔径控制景深

孔径越小，景深越大

孔径越大，景深越小。

2、调焦距离控制景深

聚焦焦点越远，景深越大。

对于任意孔径，其焦点之后的景深大约是焦点前面景深的2倍。

3、镜头焦距越短，景深越大；镜头的焦距越长，景深越小。

关于景深的物理学解释

上图中S称为物距，也就是被摄对象与镜头中心的距离，s’是镜头中心与胶片的距离，称为像距。

一般说来，s比焦距大的多，因此s’≈f。

在校范围内调节镜头与底片的距离，就可以使不同距离以外的物体成清晰的实像于底片上。

照相机镜头只能使某一个平面H上的物点成像在底片上，在此平面前后的点成像在底片前后，来自他们的光束在底片上的截面是一个圆斑。

如果这些圆斑的线度小于底片能够分辨的最小距离，就可以认为它们在底片上的像是清晰的。

只有在平面H前后一定范围内的物点在底片上形成的圆斑才会小于胶片的分辨率。

这个范围叫做景深。

镜头上有光圈，光圈缩小就会使得透过镜头的光束变窄，离像平面H一定距离的物点在底片上形成的圆斑也变小，从而景深变大。

影响景深的因素还有焦距和物距，令X，X’分别为物距和像距（从焦点算起），当物距改变ΔX时，像距改变ΔX’，则ΔX’/ΔX的数值越小就越有利于加大景深。

由牛顿公式我们有如下等式ΔX’/ΔX=-f2/X2,对于给定的焦距来说，X值越小，则景深越小。

因此照相机聚焦到比较远的物体上进行拍摄的时候很远的背景都可以很清晰，而在聚焦到近处的物体进行拍摄的时候，稍微远一点的物体就会变的模糊。

另外我们由公式可以看出焦距越小则景深越大，焦距越大景深越小。

曝光

设置曝光的一对要素是孔径和快门速度。

快门是一种让光线在一段精确的时间里照射胶片的装置。

一架照相机的典型快门速度如下：

这些快门速度在照相机上标记为1、2、4、8、15、30、60、125、250、500，1000等。

有些快门则更快，比如1/2000，1/4000秒等。

上一档曝光速度是下一档曝光速度的2倍。

这些数字序列就是这么来的。

真实的照相机上也许还有T门和B门。

对于T们，当按下快门按钮的时候快门打开而且持续打开直到下一次按下快门按钮时快门关闭。

使用B门的时候，按下快门按钮快门开启，而且只要一直按住快门就会一直开启，当松开的时候快门关闭。

快门速度与如下四个因素有关：

1、物体运动速度：

快门速度应该与运动物体的速度答题上一致。

2、运动方向：

尽量朝向运动速度方向拍摄。

3、距离物体的远近：

距离运动物体越近快门就应该越快。

4、镜头越长，快门就应该越快。

反射式测光表测量被摄对象的反射光线。

被摄物体表面越亮则读数越高。

对于一副明暗对象混合构成的场景，它将给出场景中整个亮度的平均值，无论是黑白还是彩色照片它都给出相同的数值。

测光表能告诉我们哪一种光圈和快门速度的组合可以获得18%的中性灰色调。

胶片

胶片的尺寸：

35mm胶片，这是最常见的一种；

卷片：

散叶片：

4英寸×5英寸

5英寸×7英寸

8英寸×10英寸

胶片速度（感光度）

使用国际标准ISO50100，200。

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等数值来表示，数字越大，感光度越高，胶片速度也越快。

后面的系列的感光度是前面感光度的一半。