Computing Life

昨天晚上突发奇想，我们一直用CMOS拍照，却没有真的拍出来像素过。有没有可能用相机来拍相机，看看像素到底长什么样呢？

但这不是一件容易的事情。因为就算用1:1的微距，假设两边像素大小一样的话，一个像素对应一个像素，看起来就是一片灰。根据奈奎斯特采样定律，什么都看不见。即使我们用2:1的微距，想象一下也很难看到一个个的像素。因为在4个像素中表示一个框框实在是太难了。不过我手头的微距头也只有Rodenstock Apo-Macro-Sinorar 125mm了。这个头是针对1:5 ~ 2:1的微距范围优化的。一方面超越2:1的范围会让它画质崩坏，一方面我的机身的皮腔也不够长，所以就先用这个配置拍一下吧。效果如图：

其实效果已经不错了，可以看到周围集成电路的一些细节。但是像素跟我们之前想象的一样，还是看不见的。但我其实选的困难模式，用来拍摄的cmos的像素是比相机的cmos要小的。那我们开一下摇摇乐试试看：

可以看到分辨率的确有肉眼可感的提升。然鹅受到光学放大倍率的限制，像素还是不可见。

那有没有可能扩大光学放大倍率呢？继续延长皮腔根据之前的解释，是不现实的了。除此之外有几个思路。一个是用显微物镜。但这种方法的问题在于显微物镜的工作距离（物距）一般特别小，而CMOS往往又是凹在卡口里面的。所以此时打光就会特别困难 …

数码相机可以对远处的物体进行对焦。那能不能用来测量到物体的距离呢？

理论上是可以的，用相机对焦，使得待测量的景物合焦，然后从镜头的距离标尺上读出距离就可以了。但这种方法只对近处的物体有效，对远处的物体精度非常低。但如果退一步想，我们有没有可能跳出数码相机的框框，还是用一样的原理，用更牛逼的设备比如更大口径的镜头（景深更浅）来实现这个思路呢？本质上这是一种被动测距的方法，不会被被测物体发现（比如雷达枪测速会被司机装的雷达探测器发现，接着就是一脚刹车），基本不需要能量。如果可以做的小+精度高的话是非常吸引人的。这个文章首先介绍几种常见的基于这个思路的测量方法，然后做一些定量计算，最后给出建议的方案。因为很多公式我也是第一次推导，所以如果有错出还望不吝指出。

从原理上说，测距就是把距离转换成一个和距离一一对应的物理量，测量这个物理量就可以得到距离。一个例子是激光测距 (time of flight)，就是把距离转换成时间。从纯摄影的角度来说，从相机的原理出发，有三种测距的方法：黄斑测距，裂像测距和峰值测距。（这里叫xx测距而不说xx对焦主要是因为对焦其实是后一步的额外动作。如果用过上古时代的相机比如Leica III的话，会有经验对焦需要分为两步，第一步是先用单独的测距仪比如黄斑测距仪测出距离，然后把镜头转到对应的距离上，就完成了对焦。现代相机用的都是联动的对焦装置，所以对焦一步就好了。）在引入计算机以后，从计算摄影学和机器视觉的角度出发 …

上一篇文章里，我们在135系统里榨取出来了2亿6千万像素的有效分辨率。这个分辨率已经比一般平扫扫出来的4x5大画幅的分辨率更高了。这不禁让我很好奇，有没有可能我们用顶级胶片+顶级镜头得到的高分辨全幅胶片，可以越塔反杀一般胶片+一般镜头拍的4x5大画幅胶片呢？所以我就用同样的视角拍了同样的场景（祖传辉夜姬），做了一个实验来对比。这里我们用的是Rodenstock Apo-Macro-Sinorar 125mm + Ektar 100。我手头的C41套药好像有点问题，冲出来的胶片亮度不很均匀，不过并不影响我们对分辨率的对比。

这个是135和4x5的等比例放大对比（上面135，下面4x5）：

135好像真的反杀。。等一下，哪里不对。135的100%放大里面已经可以看到细小的胶片颗粒，这说明胶片是画质的限制因素了。但大画幅的照片里面完全没有这样的现象。相反，这个更像是拍糊了。那这个大画幅胶片是怎么扫描出来的呢？其实就是用Epson V800 + 湿扫mount + 电分油 + 银快多重曝光HDR扫出来的。虽然这个比Epson自带的片夹的画质已经好了很多，但根据网上的评测指出，这样的有效分辨率其实仍然不到3000 dpi。即使可以在软件里面加分辨率，但出来的有效分辨率就这样了。这让我意识到，会不会是扫（金）描（钱）的问题 …

TL; DR: 我用135系统拍出来了2亿6千万像素的彩色照片（非接图），而且看上去还是有效分辨率。

模特就是祖传辉夜姬了。上一篇文章里面我们提到，用CMS 20 II这种胶片，可以直接扫描得到70MP的单张。那我们有可能进一步突破这个限制，甚至逼近衍射极限吗？如果我们用f/5.6的光圈的话，衍射极限大概在285lp/mm，换算成分辨率大概是2亿7千万左右。考虑到我们之前做过摇摇乐的相关实验，如果我们用数码摇摇乐加上胶片摇摇乐，有可能实现分辨率的突破吗？于是我就这么做了，然后就成功了。。对，就是这么枯燥乏味。。其中胶片摇摇乐指的是，用胶片拍多张，扫描进电脑以后进行传统的摇摇乐算法。我这里还是拍一张就踹一下三脚架，但有其他法师建议说其实也可以不踹。我觉得是可行的，但这次已经踹了，下次再实验不踹的结果吧~下面是效果展示。

这个是某块区域的单张的200%放大：

如果我们只用数码摇摇乐的话，可以看到分辨率已经有所提升。尤其注意第二行右起第三列的那个LEGO字母已经由完全不可辨认变为依稀可以辨认。这说明胶片的分辨率可能不止70MP，而可以达到更高：

如果我们只用胶片摇摇乐的话，分辨率比原图也有所提升，似乎比数码略明显：

当然小孩才做选择题，大人都是全都要。如果我们同时进行数码胶片摇摇乐的话 …

一切的起因是在我们的量子键摄法师群里面有dalao提到，希望有一个连续变化的月相的动态壁纸。最好能显出月面的彩色，同时分辨率高一些。我自己虽然也拍月亮，但没有积累足够的数据来显示月相的变化。所以就想着，有没有可能用一个模型来渲染出来一个月面图像呢？经过一些努力，真的成功了。渲染出10k的视频没有问题。4k的效果见这个视频：https://www.bilibili.com/video/BV1wC4y1h7u5/。

整个过程挺有意思的，能够学到一些3D的基础知识，记录一下过程。也许对后来的人有帮助。

首先整个框架非常简单，月球的3D模型基本上就是一个球。我们往上贴个图就好了。NASA公布了很多月面的高精度地图，比如这个链接，甚至有每个像素400米的高精度图像。其中含有7个波段的黑白图像，和合成出来的RGB图像。

但有个问题是这样的图像一般是矩形的，但和地球一样，月面是个球面。所以我们需要通过UV Mapping把这样的图像贴图贴到球面上去。方便的是3D渲染软件一般都有这样的功能（我用的是Maya），所以我们可以弄个球，把图往上一贴拉倒：

这里用的是平行光源，漫反射打到100%，Arnold渲染器。诶，看起来像那么回事了，而且分辨率也很高。但如果我们真的弄一张自己拍的月球来看，会发现差别还是不小的（这张图是很久以前拍的单张，分辨率不高 …