前往小程序,Get更优阅读体验!
立即前往
首页
学习
活动
专区
工具
TVP
发布
社区首页 >专栏 >摄影入门 | 相机基本原理

摄影入门 | 相机基本原理

作者头像
Mculover666
发布2023-08-18 20:54:58
6110
发布2023-08-18 20:54:58
举报
文章被收录于专栏:TencentOS-tinyTencentOS-tiny

一、获取图像——小孔成像实验

小孔成像实验中,点燃蜡烛,会在小孔另一面的白纸上看到一个倒立的烛焰。

此现象可以用来解释物理学原理:光在同种均匀介质中,在不受引力作用干扰的情况下沿直线传播

这样,我们就用一种最简单的方法在白纸上获得了蜡烛烛焰的图像。

二、捕获图像——底片原理

如果将小孔成像实验中的白纸换为底片(胶片),就可以将蜡烛烛焰的图像记录下来。

胶片的全称为银盐感光胶片,也叫菲林,原理是将卤化银涂抹在乙酸片基上,当有光线照射到卤化银上时,卤化银转变为黑色的银,经显影工艺后固定于片基,成为我们常见到黑白负片,而彩色负片则是涂抹了三层卤化银以表现三原色。

这样一个最简单的照相机就诞生了。

三、聚焦成像——凸透镜的成像原理

小孔成像实验中,蜡烛自身是强光源,才能透过小孔在白纸上成像,所以该种方式对光源的要求极高,在日常生活中,我们不可能像蜡烛一样点亮自己,更多的是靠太阳光进行漫反射。

凸透镜可以改变光线折射率,对光线进行聚焦成像,凸透镜的成像原理如下:

1. 焦距

焦距是指平行光线通过镜头汇聚到一点,这一点到镜头中心的距离称为焦距,也就是上图中的 F。

2. 凸透镜成像规律的应用

首先需要知道什么是物距?什么是相距?物距指的是上图中左边物体与镜头的距离,记作

u

,相距指的是上图中右边成像与镜头的距离,记作

v

(1)照相机

成像规律:当物体处于凸透镜的 2 倍焦距之外(),成倒立的、缩小的、实像,成像位于一倍焦距和二倍焦距之间(f<v<2f

根据此成像规律,可以将凸透镜应用于照相机,拍摄 2 倍焦距之外的物体。

(2)投影仪

成像规律:当物体处于凸透镜的 1 倍焦距和 2 倍焦距之间(F<u<2f

根据此成像规律,可以将凸透镜应用于投影仪,放大在 1 倍焦距和 2 倍焦距之间的物体成像。

(3)放大镜

成像规律:当物体处于凸透镜的 1 倍焦距之内(u<f

根据此成像规律,可以将凸透镜应用于放大镜,放大在 1 倍焦距之内的物体成像。

3. 焦距与视角的关系

视角的专业名词叫视场角(Field of view),简称 FOV,指照相机最终能成像的角度范围

视角与焦距之间的关系如下图:

图中

f

是焦距,

h

是感光元件的长度,可以近似得出焦距与 FOV 角度的关系:

FOV=2arctan(\dfrac{h}{2f})

得出结论:当 f 越小,FOV 越大,即焦距越小,成像角度范围越大

镜头的焦距和视角对应情况如下:

不同焦距的镜头拍摄出的实际成像区别如下:

一般情况下,相机镜头可以按视角分为

  • 鱼眼镜头:焦距为 16mm 或更短,视角范围极广,接近 180°
  • 超广角镜头:24mm 以下
  • 广角镜头:24-35mm,视角范围广,景物个体小
  • 标准镜头:35-85mm,视角接近于人类的视野
  • 远摄镜头:85-300mm,视角范围窄,景物个体大
  • 超远摄镜头:300mm 以上

具体的相机镜头分类可以参考这篇文章:摄影入门之相机镜头的分类[1]

四、数字图像——感光元件(sensor)

胶片的原理是通过光产生化学反应来记录,而感光元件的原理将光转化为模拟电信号来记录,感光元件使得照相机从传统的胶片相机变为数码相机

感光元件产生的模拟信号,首先经过模拟信号放大器进行信号放大,进而经过数模转换电路(DAC)变为数字图像,数字图像再经过 ISP(Image Signal Processor)图像处理器进行数字图像处理,最后数字图像经过压缩编码算法,存储到 SD 卡中成为一个照片文件。

感光元件也叫图像传感器(sensor),分为两种:一种是广泛使用的 CCD(电荷耦合)元件,另一种是 CMOS(互补金属氧化物半导体)器件。

1. CCD

CCD 全称 Charge Coupled Device,它使用一种高感光度的半导体材料制成,由许多感光单位组成,通常以百万像素为单位。

当 CCD 表面受到光线照射时,每个感光单位会将电荷反映在组件上,即把光转换为电荷,所有的感光单位所产生的信号加在一起,就构成了一幅完整的画面。

2. CMOS

CMOS 全称 Complementary Metal-Oxide Semiconductor,它主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体,使其在 CMOS 上共存着 N 极和 P 极的半导体,这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录为影像。

两者最主要的区别在于:CCD 传感器的图像质量优于 CMOS 传感器,而 CMOS 传感器在成像速度、功耗、价格等方面优于 CCD 传感器

关于 CCD 和 CMOS 的详细区别分析,参考文章:全面详细解析 CMOS 和 CCD 图像传感器[2]

以上就是相机中最基本的原理,下篇文章将来介绍相机中常见的一些参数。

参考资料

[1]

摄影入门之相机镜头的分类: https://zhuanlan.zhihu.com/p/28613397

[2]

全面详细解析 CMOS 和 CCD 图像传感器: https://zhuanlan.zhihu.com/p/565553001

本文参与 腾讯云自媒体同步曝光计划,分享自微信公众号。
原始发表:2023-03-26,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

本文分享自 Mculover666 微信公众号,前往查看

如有侵权,请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

本文参与 腾讯云自媒体同步曝光计划  ,欢迎热爱写作的你一起参与!

评论
登录后参与评论
0 条评论
热度
最新
推荐阅读
目录
  • 一、获取图像——小孔成像实验
  • 二、捕获图像——底片原理
  • 三、聚焦成像——凸透镜的成像原理
    • 1. 焦距
      • 2. 凸透镜成像规律的应用
        • 3. 焦距与视角的关系
        • 四、数字图像——感光元件(sensor)
          • 1. CCD
            • 2. CMOS
              • 参考资料
              相关产品与服务
              图像处理
              图像处理基于腾讯云深度学习等人工智能技术,提供综合性的图像优化处理服务,包括图像质量评估、图像清晰度增强、图像智能裁剪等。
              领券
              问题归档专栏文章快讯文章归档关键词归档开发者手册归档开发者手册 Section 归档