基于光學(xué)折射原理的圖像廣角鏡頭特效研究

王會(huì)林

摘要：為實(shí)現(xiàn)圖像的廣角鏡頭特效模擬，提出基于凸透鏡光學(xué)折射原理的算法，結(jié)合像素的加權(quán)濾波插值有效地提升生成圖質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)證明該算法取得良好效果，可行性應(yīng)用性高。

關(guān)鍵詞：圖像特效； 折射率； 鏡頭廣角； 加權(quán)濾波

中圖分類號(hào)：TP751.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）21-0192-03

Image Special Effect of Wide Angle Lens Based on Light Refraction Theory

WANG Hui-Lin

（Computer and Information Engineering School， Hanshan Normal University， Chaozhou 521041， China）

Abstract： To simulate the image special effect of wide angle lens， an algorithm based on burning glass is presented， which combined with pixel weighted filtering to effectively improve the quality of resultant image. Experiments show its good result and application.

Key words： image special effect； refractive index； wide angle lens； weighted filtering

廣角鏡頭又稱短焦距鏡頭，是視角大于60°的鏡頭。對(duì)于攝像機(jī)而言是焦距小于25mm的那一段鏡頭。廣角鏡頭拍攝的畫面具有視角寬、景物多、景深大等基本特點(diǎn)。它在近距離拍攝時(shí)，有曲像畸變的特性，產(chǎn)生前景大遠(yuǎn)景小的效果，其中前景的物體得到夸張地?cái)U(kuò)大，畫面產(chǎn)生的變形給予了視覺強(qiáng)烈的沖擊[1]。廣角鏡頭的焦距越短，視角越寬，因光學(xué)原理產(chǎn)生的畸變也就越強(qiáng)烈[2]。當(dāng)視角達(dá)到180°甚至更大時(shí)稱為超大視角，此時(shí)也稱魚眼鏡頭。魚眼鏡頭在接近被攝物拍攝時(shí)能造成非常強(qiáng)烈的透視匯聚效果，感染力強(qiáng)，常用于視頻或圖像的特效創(chuàng)作。

本文研究圖像的廣角鏡頭特效模擬生成，即在已有圖像上產(chǎn)生廣角鏡頭變形效果，并提出了一種基于光線折射原理的圖像廣角鏡頭特效算法。該算法在建立球面凸透鏡折射模型基礎(chǔ)上，運(yùn)用了光學(xué)折射原理重新定位像素排列；提出并運(yùn)用一種像素加權(quán)濾波插值方法優(yōu)化成像效果，最終取得了良好的圖像廣角鏡頭變形效果。

1 球面凸透鏡光學(xué)折射分析

1.1 折射率

折射率是指光從一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)發(fā)生折射時(shí)，入射角γ的正弦值與折射角β正弦值的比值，是一個(gè)物理常數(shù)。介質(zhì)相對(duì)真空的折射率又稱絕對(duì)折射率。這里所指的折射率也就是絕對(duì)折射率，絕對(duì)折射率的定義為光在真空中的速度與光在該材料中的速度之比率。光在真空中的速率最大，所以折射率的數(shù)值一定是大于1的[3]。經(jīng)研究，折射率與材料的密度（濃度）成正比，因此，玻璃的折射率要高于水的折射率。玻璃按成分不同折射率為1.5～1.9，水的折射率是1.3333。鉆石密度最大，其折射率達(dá)到2.4，所以特別閃亮。

1.2 球面凸透鏡的正上向折射分析

當(dāng)物距小于焦距時(shí)，球面凸透鏡具有放大景物形成虛像的作用，運(yùn)用該物理特性可以模擬圖像的廣角鏡頭效果。圖1通過光線折射原理揭示球面凸透鏡放大景物原因。當(dāng)人的眼睛位于凸透鏡正上方豎直向下看時(shí)，人眼接收的光線是源自凸透鏡底部的折射光線，圖中凸透鏡內(nèi)部虛線是入射線，入射線起始點(diǎn)就是眼睛看到的實(shí)際位置，因此，眼睛看到的是一個(gè)放大了的虛像。為揭示各折射線相應(yīng)入射線起點(diǎn)位置，建立圖2光線折射模型進(jìn)行推導(dǎo)。圖2是任一豎直向上的折射線經(jīng)過透鏡中心的剖面圖，從A點(diǎn)看到的光來源于E點(diǎn)。問題建立：已知凸透鏡材料折射率為p，球半徑為R，中心高度（厚度）為h，鏡面點(diǎn)A與y軸（中心軸）距離為l，求入射線EA的起點(diǎn)E與y軸的距離，即求DE長(zhǎng)度。該問題的求解推導(dǎo)如下：

4 結(jié)束語

本文從物理光學(xué)折射原理出發(fā)提出圖像的廣角鏡頭特效模擬算法，算法的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有：1）建立凸透鏡光學(xué)折射模型、推導(dǎo)出折射線的根源位置，并基于此建立可行算法；2）提出并運(yùn)用一種像素的加權(quán)濾波插值方法，有效地提升了圖像生成質(zhì)量；3）算法具有效率高、可控性強(qiáng)等特性，通過R、h、p等參數(shù)的設(shè)定可快速得到相應(yīng)圖像效果。最后通過三個(gè)方面的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)證明算法的可行性及適用性。

參考文獻(xiàn)：

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