单反相机航拍指南

单反相机航拍指南 i 目录 目录............................................................................................................................................ i 1. 相机拍照原理 ...................................................................................................................... 2 2.数码相机拍照参数详解 ........................................................................................................ 3 2.1焦距 ............................................................................................................................. 3 2.2光圈 ............................................................................................................................. 6 2.3快门 ........................................................................................................................... 11 2.4 ISO感光度 ................................................................................................................ 13 2.5合理设置参数 ........................................................................................................... 15 3.无人机航拍的特点 .............................................................................................................. 15 4拍照试验 .............................................................................................................................. 16 4.1.简介........................................................................................................................... 16 4.2.试验分析 ................................................................................................................... 16 （3）快门优先模式 ....................................................................................................... 23 4.3.总结........................................................................................................................... 24 4.4.下一步工作 ............................................................................................................... 24 ii 1. 相机拍照原理 最简单的相机为针孔相机，由以下几部分组成（图 1）： 图 1.针孔相机示意图 1．一个不透光的盒子； 2．在盒子的一面开一个允许光线通过的针孔； 3．将一张胶片放在针孔相对的另一面。 更为复杂的相机具有以下结构（图 2）： 图 2.一般相机示意图 2 3 1 2 1．一个不透光的盒子； 2．纳入和聚焦光线的镜头； 3．感光元件。 相机加上其他控制部件，其结构为： 1.不透光的盒子；2.镜头；3.感光元件；4.取景器；5.聚焦控制装置；6.快门；7.快门 按钮；8.光圈；9.胶片输送装置。 照相机成像过程为：1.光线进入镜头并由镜头聚焦；2.这些光线穿过不透光盒子的内部 到达胶片并形成一幅聚焦的影像；3.聚焦的影像被记录在胶片上。 ●镜头的作用 针孔相机的原理简单，但是，一般来说，针孔相机成像质量不够好：一是即使在最好的 环境条件下，胶片上形成的影像也不是很清晰；二是通过针孔只能进入少量光线，因此充分 曝光往往需要很长时间，有时会长达几小时。 而镜头能解决这些问： 1．镜头能聚焦光束，可以在胶片上产生清晰的影像； 2．镜头允许接纳大量的光线，只需若干分之一秒的很短时间即可获得适当的曝光。 ●相机成像原理 光线在同一介质中沿直线传播。对于凸透镜，穿过光心的光线沿直线传播，平行于光轴 的光线穿过透镜后汇聚于焦点（图 3）。 图 3.相机成像原理示意图 3 ●单反相机 单镜头反光照相机简称单反相机。具备以下特征：1.可以更换镜头，允许根据拍摄需求 选择适当的镜头。2.可以观看到与胶片上所记录的完全相同的影像，允许精确调整影像。3. 通常还具有自动控制补偿的选择，允许为每幅画面都确定创造性的外观特征。 ●数码单反相机 用影像传感器（CCD或者 CMOS）取代胶片进行感光，以数字方式存储影像的单反相机。 2.数码相机拍照参数详解 相机的成像效果主要由焦距、光圈、快门和 ISO感光度控制。下面将详细说明各参数， 并通过拍摄照片演示改变参数设置对拍摄照片的影响。 2.1焦距 聚焦于无穷远时，胶片能清晰成像，这时从镜头中心到胶片的距离称为焦距(图 4）。 镜头焦距的长短能影响拍摄对象的成像大小、视场角、景深等。在同一距离用不同镜头拍摄 同一对象时，焦距越长所成的象越大，焦距越短所成的象越小。 图 4.焦距原理示意图 对于现在常用的单反相机（以全画幅 24×36mm为）来说，通常把焦距分为超广角、 广角、标准、中焦、长焦和望远。一般来说，24mm 以下可以称作超广角也就是俗称的“鱼 眼镜头”，24至 40mm为广角，40至 55mm是标准镜头的范围，55至 135mm是中焦，135 至 300mm 是长焦，而 300mm 以上就被称为望远镜头了。那么不同大小的焦距在拍摄时都 有什么不同的效果呢？下面先通过一组图片（图 5）来说明，所有图片在拍摄时相机位置都 是固定的，只是改变镜头焦距。 4 焦距:16mm 焦距:24mm 焦距:35mm 焦距:70mm 焦距:100mm 焦距:142mm 焦距:200mm 图 5.焦距变化对照片拍摄场景大小的影响 看了上图（图 5）相信大家都已经对焦距这个概念有了初步的印象了吧。但是为什么不 同的焦距拍出照片的效果截然不同呢？ ●视角 为何使用不同焦距的镜头所拍出的照片显示范围差距这么大呢？我们用一张简单的示 意图（图 6）来说明。 5 图 6.不同焦距成像场景示意图 从图 6可以看出，焦距越短，拍照场景越广，对象在照片上显得越小；焦距越长，拍照 场景越窄，对象在照片上显得越大。 ●对焦 对于固定焦距的镜头，能通过微调镜头来改变对焦距离。佳能 EF50mm f/1.4 USM镜头 焦距为 50mm，最短对焦距离为 0.45m。 根据薄透镜方程 1/v + 1/u = 1/f 式中 v为像距，u为物距，f为焦距，单位为 mm。根据该可知，在给定焦距 f和物 距 u情况下，我们可以算出像距 v的值。 微调镜头实际上是通过旋转对焦盘，前后移动镜头中的镜片组，从而调整像距，使得感 光元件恰好能位于能清晰成像的位置。当物距逐渐增大，像距逐渐靠近焦距，当物距增大到 一定值（超焦距）时，可以将镜头调整为对焦于无穷远(∞)，镜头中心与感光元件的距离固 定，此时，所有物距大于超焦距的对象都能清晰成像。超焦距在 2.2节详细说明。 物距（u，m） 焦距（f，mm） 像距（v，mm) 0.45 50 56.25 0.5 50 55.55556 0.6 50 54.54545 1 50 52.63158 6 2 50 51.28205 5 50 50.50505 10 50 50.25126 20 50 50.12531 50 50 50.05005 100 50 50.02501 200 50 50.0125 500 50 50.005 1000 50 50.0025 2000 50 50.00125 从中可以看出，随着物距增加，像距减小，并逐渐接近焦距。 2.2光圈 光圈用来控制透过镜头进入机身的光量，是镜头的一个极其重要的指标参数，光圈通常 在镜头内。它的大小决定着通过镜头进入感光元件的光线的多少，通常我们用 F值来表达光 圈的大小。 ●光圈作用 1：控制进光量 光圈作为相机镜头内的一个元件，它的作用是控制透过镜头进入机身内感光元件的光量， 所以光圈的一大功能就是控制进光量的多少。一般来说完整的光圈值系列如下：f1.0，f1.4， f2.0，f2.8，f4.0，f5.6，f8.0，f11，f16，f22，f32，f44，f64。我们可以通过一张简单的示意 图（图 7）来说明不同数值的光圈和它孔径大小的关系。 图 7.光圈大小示意图 这里值得一提的是光圈 F 值越小，通光孔径越大（如图 7 所示），在同一单位时间内 的进光量便越多；光圈 F 值越大，通光孔径越小，在同一单位时间内的进光量便越少，而 且上一级的进光量刚好是下一级的两倍，例如光圈从 F8调整到 5.6 ，进光量便多一倍，我 们也说光圈开大了一级，F5.6的通光量是 F8的两倍。同理，F2是 F8通光量的 16倍，从 F8 7 调整到 F2，光圈开大了四级。对于消费型数码相机而言，光圈 f 值常常介于 f2.8～f11 之 间。此外许多数码相机在调整光圈时，可以做 1/3 级的调整。 上面我们说了光圈的大小决定了相机的进光量。拍照时，进光量的大小直接决定了画面 的明暗，在相同曝光时间里光圈大的进光量就多，光圈小的进光量也就少。下面我们先通过 一组照片（图 8）来说明它们的关系，在拍摄照片时我们使用的是相机手动档，ISO 感光度 为 100，曝光时间 1/200秒，白平衡自动，只改变其光圈大小。 光圈:f/1.4 光圈:f/2.0 光圈:f/2.8 光圈:f/4 光圈:f/5.6 光圈:f/8.0 光圈:f/11.0 光圈:f/16.0 图 8.改变光圈大小对图像明暗度的影响 图 8显示出光圈越大图像越亮，光圈越小图像越暗。所以在平时拍照时如果天气晴 8 朗，我们可以适当缩小光圈来控制光线进入；如果是在夜晚我们最好加大光圈拍摄以保证足 够的进光量。 ●光圈作用 2：影响景深 我们先来了解什么是景深。在使用相机进行拍摄时，调节相机镜头，使距离相机一定距 离的景物清楚成像的过程，叫做对焦。那个景物所在的点，称为对焦点。因为“清楚”并不是 一种绝对的概念，所以，对焦点前（靠近相机）后一定距离内的景物的成像都可以是清楚的， 这个前后范围的总和，就叫做景深（图 9）。意思是只要在这个范围之内的景物，都能清楚 地拍摄到，超过这个范围就不能清楚的被拍摄。 图 9.景深原理示意图 其次，前景深小于后后景深，也就是说，精确对焦之后，对焦点前面只有很短一点距离 内的景物能清楚成像，而对焦点后面很长一段距离内的景物，都是清楚的，二者距离比例约 为 1:2。 景深计算公式 （式 1） 从上面公式（式 1）可以看出，景深大小与物距 u、镜头焦距 f、光圈大小 N、弥散圆直 径 c有关。在给定定焦镜头和相机的情况下，由于焦距和弥散圆直径给定，景深大小与焦距 和光圈大小有关。焦距越小，景深越大；光圈越大，景深越小（图 10）。 9 图 10.景深与光圈大小关系示意图 ●超焦距 当镜头对焦在无穷远时，从超焦距到无穷远这段距离内的物体，在相片上都清晰，而近 于超焦距的物体都模糊不清。换句话说当镜头对焦在无穷远时，景深是从超焦距到无穷远。 当镜头对焦于无穷远时，即物距 u很大，此时后景深为无穷大，通过计算，前景深为： 焦距（mm） 光圈号数 弥散圆直径 （mm） 超焦距（m） 50 1.4 0.035 51.07 50 2 0.035 35.76 50 2.8 0.035 25.56 50 4 0.035 17.91 50 5.6 0.035 12.81 50 8 0.035 8.98 50 11 0.035 6.54 50 16 0.035 4.51 50 22 0.035 3.30 也就是说，对 50mm焦距镜头，对焦于无穷远时，当光圈为 F/1.4时，从 51m到无穷远 处的对象都能清晰成像；而光圈为 F/22时，从 3.30m到无穷远处的对象都能清晰成像。 对于 24mm的镜头，其超焦距要比 50mm镜头小。 焦距（mm） 光圈号数 弥散圆直径（mm） 超焦距（m） 24 1.4 0.035 11.78 24 2 0.035 8.25 24 2.8 0.035 5.90 24 4 0.035 4.14 10 24 5.6 0.035 2.96 24 8 0.035 2.08 24 11 0.035 1.52 24 16 0.035 1.05 24 22 0.035 0.77 下面的一组照片（图 11）显示了光圈大小对景深的影响。 f/1.4 f/2.0 f/2.8 f/4.0 f/5.6 f/8.0 f /11.0 f/16.0 图 11.光圈大小对景深的影响 图 11很好的展示了改变光圈大小时，景深随之发生变化，不同的景深带给我们不同的 拍照体验。在拍摄风景的时候尽量使用 F8、F11这样的小光圈拍摄，这样拍出来的风景照片 远近都是清楚的；而在拍摄人像的时候可以选择 F4、F2 这样的大光圈拍摄，大光圈可以很 好的虚化背景来突出主体人物。 11 2.3快门 单反相机快门组件如图 12所示。 图 12.单反相机快门组件 ●快门作用：控制进光量 快门速度的单位是“秒”。常见的快门速度有：1 1/2 1/4 1/8 1/15 1/30 1/60 1/125 1/250 1/500 1/1000 1/2000等。相邻两级的快门速度的曝光量相差一倍，我们常说相差一级。如 1/60秒比 1/125秒的曝光量多一倍，即 1/60秒比 1/125秒速度慢一级或称低一级。 和光圈一样，快门也有控制进光量的作用。如果把进光量比作从水龙头出水的多少，光 圈就是通过旋转水龙头来控制水量，而快门则是通过控制水龙头开闭的时间来控制水量。在 光线充足的情况下我们可以适当的提高快门速度来捕捉精彩的瞬间。在夜晚或者暗光环境下 就要适当的延长快门速度，来保证相机足够的曝光时间。一般来说相机在显示快门速度时为 了方便显示，只显示分母，即 1/250秒显示为 250，1/50秒显示为 50，然而 5秒显示为 5"。 下面我们依旧通过照片（图 13）来说明快门速度和进光量的关系。 12 快门速度:1/10 快门速度:1/30 快门速度:1/60 快门速度:1/125 快门速度:1/250 快门速度:1/500 快门速度:1/1000 快门速度:1/2000 快门速度:1/4000 图 13.快门速度对照片明暗的影响 上图很直观的为我们展现出不同快门速度对于画面明暗的影响。一般来说人手持相机拍 摄时快门速度不能低于 1/30 秒，不然很容易因为抖动而拍虚，如果必须要使用慢速快门， 那最好给相机配备一个三脚架。 ●光圈与快门合理搭配 光圈和快门的组合控制曝光量。在曝光量一定的情况下，这个组合不是唯一的。例如当 前测出正常的曝光组合为 F5.6、1/30 秒，如果将光圈增大一级也就是 F4，那么此时的快门 值将变为 1/60，这样的组合同样也能达到正常的曝光量。不同的组合虽然可以达到相同的 曝光量，但是所拍摄出来的图片效果是不相同的。 13 模式拨盘 S档 模式拨盘 A档 图 14.相机上光圈优先档和快门优先档 在相机模式拨盘上标有 A 和 S 档（图 14），它们分别是光圈优先档和快门优先档，A 档也就是光圈优先档，在光圈优先的情况下，我们可以通过改变光圈的大小来轻松地控制景 深，相机会在保证曝光量的前提下自动为其配备合适的快门速度。A档的优势是使用者只要 专心的根据自己所需的景深大小来设置光圈，不用将其他心思放在快门速度的配置上，由此 来提高拍摄效率。 与光圈优先相反，快门优先是在手动定义快门的情况下通过相机测光而获取光圈值。快 门优先多用于拍摄运动的物体上，特别是在体育运动拍摄中最常用。若在拍摄运动物体时发 现拍摄出来的主体是模糊的，这多半就是因为快门速度不够快。在这种情况下你可以使用快 门优先模式，设定一个快门值，然后进行拍摄。并且物体的运行一般都是有规律的，那么快 门的数值也可以大概估计，例如拍摄行人，快门速度只需要 1/125秒就差不多了，而拍摄下 落的水滴则需要 1/1000秒。 2.4 ISO感光度 ISO感光度，是衡量传统相机所使用胶片感光速度的国际统一指标，反映了胶片感光时 的速度（其实是银元素与光线的光化学反应速率）。而对于现在并不使用胶片的数码相机来 说，其成像原理是通过感光器件（CCD或 CMOS）以及相关的电子线路感应入射光线的强弱 来进行成像的。为了与传统相机所使用的胶片统一计量单位，引入了 ISO感光度的概念。在 数码相机中 ISO同样也反应了相机感光元件的感光速度。 ●ISO作用：改变传感器的感光速率 在传统的胶片相机时代，我们可以因拍摄环境亮度的不同来选购不同感光度(ISO)的底片， 例如一般晴天环境可使用 ISO100，阴天的环境可用 ISO200，黑暗如舞台，演唱会等环境可 用 ISO400或更高感光度数值的底片。到了数码相机时代虽然我们用 CMOS或 CCD取代了传 统的胶片，但是 ISO这个概念还是被保留了下来。我们现在依然使用 ISO来代表相机感光元 件的的感光速率。 感光度 ISO 在相机中一般分为这些档位：ISO100，ISO200，ISO400，ISO800，ISO1600， ISO3600等，有些相机还能作 1/2或者 1/3级的设置。在数码相机中感光度 ISO的大小代表 着感光元件对光线强弱的敏感程度，当 ISO设置的越高，感光元件就对光线就越敏感。这样 给我们带来的好处就是我们可以在光线不足的情况下通过提高 ISO来保证我们的快门速度。 下面一组图（图 15）显示了在其他设置不变的情况下，改变 ISO 感光度对照片效果的 影响。 14 ISO感光度:100 ISO:200 ISO:400 ISO:800 ISO:1600 ISO:3200 ISO:6400 图 15.ISO感光度对照片明暗的影响 通过照片我们可以发现，当环境光不足的时候我们可以通过提高 ISO 来使相机感光元 件对光线的强弱变得更加敏感，从而来提高整个画面的亮度。也许有的朋友要问了：既然提 高 ISO 有这么好的作用，为什么我们不一直使用较高感光度来拍照片呢？原因很简单，因 为较高的感光度会给我们的拍摄带来“副作用”。 15 ●高 ISO的副作用：噪点 提高感光度确实能给我们的拍摄带来很大的好处，它让我们在暗光环境下也能拍出明亮 的照片。可是在我们提高感光度的同时它也给我们带来了一个副作用——噪点的增加。我们 先来说说什么是噪点，噪点（noise）主要是指感光元件 CCD（CMOS）将光线作为信号接收 并输出的过程中所产生的图像中粗糙的部分，也是指图像中不该出现的外来像素点。 对数码相机增加感光度实际上是对感光元件的采样信号进行人为放大，在放大图像信号 的同时中所存在的暗电流也会随之增加，这些增加暗电流会对图像信号产生一定的干扰 作用，其结果就是在画面上产生较多的杂色斑点，这就是我们所说的噪点。这些噪点看起来 就像图像被弄脏了一样，画面质量也就随之下降。需要注意的是，各个品牌各种型号的相机 对噪点的控制能力也不尽相同。 正是因为高 ISO 有着它的两面性，所以我们平时拍照时应当尽量选择合适的 ISO 数值， 并不是 ISO越高越好。一般来说在晴天光线充足的环境下我们应该尽可能的将相机 ISO设置 在最低档，因为相机在使用最低档 ISO拍摄时所拍出的照片画面质量是最好的；当遇到阴天 或者是在室内进行拍照时，我们可以适当的提高相机 ISO来保证画面的明亮。如果实在把握 不好那就选择自动 ISO，将调节 ISO 的任务交给相机去完成。一般来说现在的卡片相机 ISO 设置在 400 以内所拍出的照片都不会有明显的噪点，一些优秀的单反相机在 ISO 达到 3200 时依然能保证不错的画面质量。值得一提的是随着这几年相机技术的飞速发展，相机的高感 抗躁能力越来越好。 2.5合理设置参数 光圈可以控制进光量和景深，快门控制进光量和对瞬间的把握，ISO感光度控制传感器 对光的敏感程度，但会有副作用，焦距也能影响景深和确定构图。这几个参数这样配合使用 才能达到最好的效果呢？ 在拍摄时首先我们要确定拍摄的事物是否需要注重拍摄速度？也就是说您是想要抓住 被摄物运动的瞬间还是想展现其过程的美感。如果您需要，那么我们就使应先确定其快门速 度。如果不需要，那就先确定使用的光圈吧。 当您确定了光圈或者快门后我们就可以拍摄了。在这里假设我们需要使用较高的快门速 度，那在拍摄时我们就可以通过调节光圈大小来使画面达到正确曝光。 如果我们需要的是较大的光圈，那么在拍摄时就可以通过调节快门的速度来使画面达到 正确的曝光。当手持拍摄时，50mm焦距不要低于 1/60，这是一个安全快门，比 1/60还低 的话画面很容易因抖动而虚掉。 3.无人机航拍的特点 （1）远距离成像，对焦到无穷远 飞行航高为几百米到几千米，相机拍照时，镜头对焦到无穷远。 16 （2）成像时平台处于运动状态 无人机飞行速度为 120km/h（约 33m/s），相机曝光时，由于飞机的运动会造成影像位 移。因此，要求曝光时间尽可能短，经过计算，曝光时间小于 1/200s其影像位移小于 1个 像素。 （3）成像时天气条件多样 由于进行灾后评估，一般来说，风灾或者水灾后，天气条件不是很好，需要考虑在这种 天气条件下，如何能拍出满足应用需求的照片。 4拍照试验 4.1.简介 地点：试飞场 时间：2012年 2月 16日 天气：晴，有云 4.2.试验分析 一共进行了 3架次飞行，每次飞行，对相机采用不同的设置进行拍照试验。共测试了 3 组：（1）程序自动；（2）手动模式；（3）光圈优先。 （1）程序自动 由相机自动控制快门速度和光圈大小。完成一个架次测试，共拍摄 294张照片。其缩略 图为： 17 18 图 1.程序自动模式下所拍照片缩略图 为方便分析，编写了程序，将原始的文件名做了更改，加上了拍照参数。 图 2.更改文件名，加上拍照参数 经过分析发现： （1）在程序自动模式下，快门速度一般为 1/400s 或者 1/500s，对照片进行分析查看， 发现在这种快门速度下，所拍摄照片是清晰的。 19 图 3.在快门速度 1/400s，F10,ISO400能清晰成像 （2）光圈大小一般为 F8、F9、F10、F11，在这种光圈条件下，影像聚焦良好。 （3）影像上人工地物较多时，亮度较大，这种情况下，相机会减小光圈，加快快门速 度进行拍照。 20 图 4.影像上人工地物较多，相机会调小光圈(F11)，加快快门速度（1/500s) （4）在山区，影像上有大面积阴影时，相机会增大光圈，降低快门速度以保证曝光量， 在这种情况下，非阴影区可能会出现曝光过度情况。 图 5.拍照对象有较大阴影时，相机会增大光圈(F7.1、F8)，降低快门速度（1/200、1/250s) 21 图 6.由于增大曝光量，非阴影区可能会出现曝光过度现象。 （5）在有云影的情况下，若影像上只有小范围的云影，相机拍照时，会忽略这些云影， 若云影占据了影像较大面积，则相机会通过加大光圈和延长快门速度来保证进光量，这样， 所拍摄影像上的云影有所减轻。 图 7.程序自动模式下，能通过增大曝光量减小云影影响 （2）手动模式 根据天气情况手动设置快门速度、光圈大小和 ISO感光度，完成一个架次测试，共拍摄 301张照片。 手动拍照模式下，采用 F8光圈，快门速度为 1/2000s，24mm焦距，ISO感光度为 500。 所拍照片部分缩略图如下： 22 23 图 8.手动模式下所拍照片缩略图 以上是手动拍照设置所拍摄的部分照片，从图上可以看出，在有云的情况下，由于无人 机的飞行高度通常在云下，所以拍摄照片上会出现云影。在手动模式下，拍照参数固定，因 此照相机的进光量固定，所以会导致同一架次所拍摄的照片上明暗度不一致。 （3）快门优先模式 设定快门速度和 ISO感光度，由相机根据光线情况设置光圈大小，由于设备故障，本架 次只拍摄了起飞阶段的 13张照片，在航线上没有拍照。 24 图 10.快门优先模式所拍照片缩略图 4.3.总结 我们通过三种模式进行拍照测试，经过这次拍照测试，通过分析我们发现。 （1）快门速度在 1/400s以上，在正常飞行速度条件下，能拍出清晰照片。 （2）在有云的天气情况下，手动模式拍照会出现同一架次所拍照片明暗度差异非常大 的情况。 （3）程序自动模式下，相机能够一定程度上降低云影的影像，从而使所拍摄照片明暗 度尽可能一致。 4.4.下一步工作 由于拍照测试拍摄范围较小，拍摄地点在山区，拍摄时地面植被稀少，与农业勘灾实际 拍摄环境有较大区别，以及由于飞行架次的限制及设备故障，相机上有的拍摄模式如快门优 先和光圈优先没有进行。因此，建议再继续进行几次拍照测试，进行分析总结，从而给农业 勘灾航拍提供更有指导性的相机参数设置建议。 目录 1. 相机拍照原理 ●镜头的作用 ●相机成像原理 ●单反相机 ●数码单反相机 2.数码相机拍照参数详解 2.1焦距 ●视角 ●对焦 2.2光圈 ●光圈作用1：控制进光量 ●光圈作用2：影响景深 ●超焦距 2.3快门 ●快门作用：控制进光量 ●光圈与快门合理搭配 2.4 ISO感光度 ●ISO作用：改变传感器的感光速率 ●高ISO的副作用：噪点 2.5合理设置参数 3.无人机航拍的特点 （1）远距离成像，对焦到无穷远 （2）成像时平台处于运动状态 （3）成像时天气条件多样 4拍照试验 4.1.简介 4.2.试验分析 （1）程序自动 （2）手动模式 （3）快门优先模式 4.3.总结 4.4.下一步工作