基于光学折射原理的图像广角镜头特效研究

王会林

摘要：为实现图像的广角镜头特效模拟，提出基于凸透镜光学折射原理的算法，结合像素的加权滤波插值有效地提升生成图质量。实验证明该算法取得良好效果，可行性应用性高。

关键词：图像特效； 折射率； 镜头广角； 加权滤波

中图分类号：TP751.1 文献标识码：A 文章编号：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

广角镜头又称短焦距镜头，是视角大于60°的镜头。对于摄像机而言是焦距小于25mm的那一段镜头。广角镜头拍摄的画面具有视角宽、景物多、景深大等基本特点。它在近距离拍摄时，有曲像畸变的特性，产生前景大远景小的效果，其中前景的物体得到夸张地扩大，画面产生的变形给予了视觉强烈的冲击[1]。广角镜头的焦距越短，视角越宽，因光学原理产生的畸变也就越强烈[2]。当视角达到180°甚至更大时称为超大视角，此时也称鱼眼镜头。鱼眼镜头在接近被摄物拍摄时能造成非常强烈的透视汇聚效果，感染力强，常用于视频或图像的特效创作。

本文研究图像的广角镜头特效模拟生成，即在已有图像上产生广角镜头变形效果，并提出了一种基于光线折射原理的图像广角镜头特效算法。该算法在建立球面凸透镜折射模型基础上，运用了光学折射原理重新定位像素排列；提出并运用一种像素加权滤波插值方法优化成像效果，最终取得了良好的图像广角镜头变形效果。

1 球面凸透镜光学折射分析

1.1 折射率

折射率是指光从一种介质射入另一种介质发生折射时，入射角γ的正弦值与折射角β正弦值的比值，是一个物理常数。介质相对真空的折射率又称绝对折射率。这里所指的折射率也就是绝对折射率，绝对折射率的定义为光在真空中的速度与光在该材料中的速度之比率。光在真空中的速率最大，所以折射率的数值一定是大于1的[3]。经研究，折射率与材料的密度（浓度）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为1.5～1.9，水的折射率是1.3333。钻石密度最大，其折射率达到2.4，所以特别闪亮。

1.2 球面凸透镜的正上向折射分析

当物距小于焦距时，球面凸透镜具有放大景物形成虚像的作用，运用该物理特性可以模拟图像的广角镜头效果。图1通过光线折射原理揭示球面凸透镜放大景物原因。当人的眼睛位于凸透镜正上方竖直向下看时，人眼接收的光线是源自凸透镜底部的折射光线，图中凸透镜内部虚线是入射线，入射线起始点就是眼睛看到的实际位置，因此，眼睛看到的是一个放大了的虚像。为揭示各折射线相应入射线起点位置，建立图2光线折射模型进行推导。图2是任一竖直向上的折射线经过透镜中心的剖面图，从A点看到的光来源于E点。问题建立：已知凸透镜材料折射率为p，球半径为R，中心高度（厚度）为h，镜面点A与y轴（中心轴）距离为l，求入射线EA的起点E与y轴的距离，即求DE长度。该问题的求解推导如下：

4 结束语

本文从物理光学折射原理出发提出图像的广角镜头特效模拟算法，算法的主要创新点有：1）建立凸透镜光学折射模型、推导出折射线的根源位置，并基于此建立可行算法；2）提出并运用一种像素的加权滤波插值方法，有效地提升了图像生成质量；3）算法具有效率高、可控性强等特性，通过R、h、p等参数的设定可快速得到相应图像效果。最后通过三个方面的应用实验证明算法的可行性及适用性。

参考文献：

[1] 王春. 广角镜头技术探讨[J]. 新闻与摄影， 2012（8）： 241-242.

[2] 郁春潮. 广角镜头的摄像机非线性标定技术[J]. 长江大学学报， 2006， 3（2）： 25-27.

[3] 周淑娴. 透明介质折射率测定方法的讨论[J]. 赤峰学院学报， 2010， 26（1）： 16-17.