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1.6 理解相機和準備攝像附件

你可能以前用iOS裝置拍過照片.或許你還熟知一些用於圖片捕獲和圖片處理的應用程式.用iPhone拍照當然是一種流行的消遣方式,有些人甚至把它定義為一種獨特的攝影運動,叫做iPhoneography。
[如果對於iPhone拍攝完全是新手,現在花些時間來嘗試一下蘋果的Camera和Photo應用程式以及一些第三方的拍攝應用程式]
除了iPhone使用者,還有很多人擁護以品牌為中心的攝影觀.例如,另一項名為Lomography的運動是從1984年由列寧格勒光學機械協會(LOMO)釋出的名為LOMO LC-A的膠捲相機中得到靈感的。LOMO生產精密光學儀器,包括顯微鏡、望遠鏡、夜視裝置和醫學成像系統,但具有諷刺意味的是,該公司用廉價和古怪的相機進打入了消費者市場。按照常規標準,LC-A及其後續產品遭受重大光學和機械缺陷,導致拍攝出來的影象亮度和顏色不均勻。但是LOMO攝影師們卻喜歡這些影象的異常效果。
同樣,iPhone攝影師們也不一定關心相機影象的可預測性和保真度(真實生活質量)。考慮到新款iPhone的價格在450到750美元之間,許多攝影師會發現它的影象質量令人失望,而且它的控制非常有限。在相同的價格範圍內,它與傳統相機沒有任何相似之處。另一方面,iPhone攝影師可能更加側重於離散地捕捉照片,並編輯和分享照片的功能。
有些使用者可能渴望同時得到魚和熊掌——iPhone如此智慧化的同時,擁有更加傳統一點的相機.有許多用於iOS裝置的第三方拍照附件,這些附件可以起到模組化的專業拍照系統的一些元件的作用。特別地,我們將討論三種附件:燈光、三腳架和附加鏡頭。為了幫助我們理解這些附件的用途,讓我們進行一下基本的比較。下表顯示了iOS裝置後置照相機中的內建透鏡和影象感測器的規格:

裝置 影象解析度(畫素) 感測器對角線(mm) 焦距(mm) 對角視場(度) 最大孔徑(mm)
iPhone 4 2592x1936 5.68 3.85 72.8 f/2.8
iPhone 4S 3264x2448 5.68 4.28 67.1 f/2.4
iPhone 5, 5C 3264x2448 5.68 4.10 69.4 f/2.4
iPhone 5S 3264x2448 6.11 4.12 73.1 f/2.2
iPhone 6, 6 Plus 3264x2448 6.11 4.15 72.7 f/2.2
iPhone 6S, 6S Plus 4032x3024 6.11 4.15 72.7 f/2.2
iPad 3, 4 2592x1936 5.68 4.3 66.9 f/2.4
iPad Air 1 iPad Mini 1, 2, 3 iPod Touch 5 2592x1936 4.33 3.3 66.5 f/2.4
iPad Air 2 iPad Mini 4 3264x2448 4.61 3.3 69.9 f/2.4

視場(FieldOfView)是由透鏡的焦點和可見空間的對角線相對邊緣上的兩個點形成的角度。一些作者會指定水平視場或垂直視場而不是對角視場。按照慣例,如果沒有另外指定,視場就是指對角視場。焦距是指當透鏡聚焦在無限遠的物體上時,影象感測器和透鏡的光學中心之間的距離。請參閱下列圖表:
在這裡插入圖片描述
對角視場,感測器的對角對角線尺寸和焦距滿足一下幾何關係:

對角視場的角度 = 2 * atan(0.5*感測器對角線尺寸/焦距)*180/pi

根據iOS裝置的模型,對角視場的值從73.1度到66.5度。這些值相當於傳統35mm相機系統中29mm到33mm鏡頭的視場。大多數攝影師都將這種視場特徵描述為中等寬度。那麼中等寬度是適用的嗎?這取決於適用場景。一個更寬的角度有助於確保被拍攝的主體無處藏身。例如,這在安全應用中可能是很重要的。而更窄的角度有助於確保即使在很近的距離細節也能捕捉到。例如,在產品檢查應用程式中,如果工作空間的限制不允許將相機放置在靠近被攝體的位置,這點可能就很重要。如果我們想要調整視場,我們必須增加一些附件來調整iOS的光學系統.
所有的iOS相機都有小的感測器。它們的對角線尺寸範圍為從4.33毫米到6.11毫米。相比之下,35mm相機系統中的膠片或數字感測器的對角線尺寸為43.3mm。較小的感測器具有較弱的聚集光的能力。為了補償,帶有小感測器的相機系統傾向於放大感測器的訊號(測量光的訊號),但同時它們也放大隨機噪聲。此外,為了補償噪聲,系統可能模糊影象。因此,如果我們比較同一場景的兩個相同解析度的影象,來自較小感測器的影象將趨向於噪聲或模糊。這種差異在光線暗淡時尤為明顯。總而言之,我們必須瞭解,iOS相機在光線不足的情況下會拍攝糟糕的照片。因此,我們必須找到或創造良好的光源!
工程師將感測器訊號的放大稱為增益,攝影師將其稱為ISO感光度。後一種度量標準由國際標準組織(ISO)正式定義。
收集光線的能力也直接與鏡頭光圈的面積有關。通常,孔徑表示為f-number或f-stop,其定義為焦距與孔徑的比值。通常,孔徑近似為圓形,因此其面積與其半徑的平方成比。由此可見,穿過孔徑的光的強度與f-number的平方成反比。例如,一個f/2透鏡可以容納兩倍於f/2.8透鏡的光。iOS鏡頭的最大孔徑根據不同的模型可以從f/2.2變化到f/2.8.一般來說,這個範圍的值是廣角透鏡的典型值,所以iOS透鏡在這方面既沒有優勢也沒有劣勢。
最後,讓我們考慮一個人體工程學的問題。所有的iOS裝置都是輕量級的和平滑的,而且大多數都太小,不能用雙手握住。因此,使用者的抓握不牢固。當一個普通的使用者伸出iPhone拍照時,使用者的手臂就像長長的樹枝,小小的iPhone像樹葉一樣搖晃。圖片很大可能會受到運動模糊的影響。相比之下,更傳統的相機和鏡頭的設計可以允許使用者在幾個地方將裝置的重量支撐在他或她的身體上。考慮下面的照片:
在這裡插入圖片描述
背景中後面的那個人是鮑伯。鮑伯是左撇子。當他用左手拿著iPhone,用右手按下相機按鈕。前面那個人是喬,喬是慣用右手的。他裝備了照相包,那是一個安裝有兩個把手上和一個肩靠的長鏡頭。裝置的重量與喬的右膝和右肩相吻合。為了增加穩定性,喬的雙腿是摺疊的,他向左靠在鋼柱和水泥板上。從另一個角度看,同樣的姿勢是這樣的:
在這裡插入圖片描述

這種靠人體來穩定的方法對於一些裝置來說很適用。然而,更可靠的方法是使用剛性的支撐,如三腳架,當我們用智慧手機或平板電腦解決計算機視覺問題時,我們絕對應該考慮這一點。
現在,讓我們評估一下可以改變照明條件、穩定性和透視性的附件型別。

1.6.1 燈光

許多iOS裝置都有一個內建閃光燈,它由裝置背面的白色LED燈組成。相機應用程式可以在拍照時開啟閃光燈,特別是如果場景很昏暗。其他的應用程式可以長時間啟用閃光燈,從而起到手電筒或火炬的作用.幫助使用者看到。由於只有一個LED,內建閃光燈在某些情況下可能提供不足或不均勻的照明。
如果您需要更強的或更均勻的分散式照明,或者如果您的iOS裝置完全缺少內建閃光燈,那麼您可能需要購買外部閃光燈。根據設計,外部閃光燈可以作為一個部件安裝,或者可以插入iOS裝置的音訊插座。通常,外部閃光燈將有多個白色LED佈置線上路、格柵或環中。後一種設計稱為環形閃光燈。
或者,在受控環境中,您可以在任何地方設定任何型別的照明,而不需要依賴iOS裝置作為電源。即使是一對擺放好的檯燈,也能大大提高場景的清晰度和美觀性。通常情況下,最好從多個角度照射物件以防止陰影。不要將光直接照射到相機中,也不要比被攝體更明亮地照射背景,因為這些型別的照明往往使被攝體呈現出非常模糊的外觀,前景對比度很低。有時,昏暗的光線可以是藝術的興趣點,但它不利於計算機視覺。

1.6.2 三腳架以及其它穩定裝置

傳統的相機上有一個可以讓使用者固定在三腳架的頭上的螺紋。當然,iOS裝置沒有安裝螺紋。如果我們想使用一個使用標準的螺絲三腳架,我們可以購買一個由螺紋安裝夾持iOS裝置介面卡。另外,我們可以購買一個有內建安裝裝置而不是使用標準螺絲的三腳架。除了安裝方式,我們也需要考慮三腳架的以下特性:

  • 高度:三腳架有多高?大多數三腳架都有可伸縮的支架,所以它們的高度是可以變化的。為了幫助您確定某一個應用程式需要的三腳架高度,請考慮通常是如何看待被拍攝的物體。如果被攝體是一個小物體,比如硬幣,人們可能會靠得很近很仔細地觀察它,那麼一個短的三腳架就是是合適的。如果主體是一個大的物體,例如公路上的汽車陣,人們直接用眼睛平視觀察它,或者甚至可以從更高的地面向下看它,那麼就需要一個高的三腳架了。
  • 重量:沉重的三腳架搬運起來很麻煩,但是它可能能夠抵抗諸如風之類的破壞穩定的外力作用。
  • 材料:塑料有可能彎曲和開裂。金屬可能會振動。碳纖維不易出現這些缺點,但相對昂貴。一些小三腳架有可彎曲的線腳,以便使用者可以將三腳架纏繞在另一個支撐物上,例如分支或柱子。例如,GyelaPod是一種著名的具有可彎曲支架的三腳架。
    通常,小型輕便三腳架的成本可能在10美元到30美元之間。這類產品通常作為迷你或旅行三腳架銷售。對於本書所有示例的app來說,三腳架都是有用但可選的附件。
    如果你沒有三腳架或者沒有地方放置它,你可能想嘗試更加方便的穩定裝置。例如,如果你想監視房間或走廊,你可以把iOS裝置貼在牆上或天花板上。小心選擇你可以清除乾淨,而不會損壞裝置的螢幕的膠帶。(不怕被拿走麼…)

1.6.3 鏡頭附件

鏡頭附件或附加鏡頭是位於iPhone或iPad內建鏡頭前面的附加光學裝置。通常,該附件是為後部照相機設計的,其安裝裝置可以包括磁鐵、夾子或外殼。附加鏡頭的型別包括:

  • 遠攝鏡頭:讓得鏡頭能夠捕獲較窄(但是更遠)的視野,類似於間諜鏡。有時,遠攝鏡頭被稱為變焦附件。
  • 廣角鏡頭:讓鏡頭能夠捕獲更寬的(更近)視野。
  • 魚眼鏡頭:使鏡頭能夠捕捉非常寬的視野,對角線在100到180度之間。按照設計,魚眼透視中的物體會被扭曲,直線會變得彎曲。有時,魚眼鏡頭被稱為全景附件,因為軟體可以將魚眼影象轉換為全景(具有很大高寬比的透視校正影象)。
  • 放大鏡頭:使鏡頭能夠短距離聚焦,以高倍率捕獲清晰的影象,類似於放大鏡.
  • 顯微鏡鏡頭:使鏡頭放大率達到更極端的與顯微鏡相當的水平。焦點距離很短,鏡頭附件幾乎可以觸及主體。通常,附件還包括一個用來照亮主體LED燈環.
    通常,鏡片附件的價格可能在20到50美元之間。光學的靈敏度會有很大的差別,所以在選擇產品之前試著比較一下其它人的評論。魚眼鏡頭可能是在我們第2章[拍攝,儲存和共享照片]中會實現的作品的一個有趣的配件。放大鏡頭或顯微鏡頭附件在第5章[硬幣和商品分類]中的實現的作品,對小物體進行拍攝時會有用 。但是,你當然也可以在任何章節的應用程式中使用任何鏡頭附件。

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