摄像机的基本工作原理图(你知道数码相机的工作原理吗？)

Posted 2023-05-27

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摄像机的基本工作原理图(你知道数码相机的工作原理吗？)

相机已有200多年的历史，但其结构和功能非常复杂。巴托斯·西卡诺夫斯基（Bartosz Ciechanowski）先生创建了一个网站使用 3D 模型详细介绍了数码相机的工作原理。

Cameras and Lenses – Bartosz Ciechanowski

https://ciechanow.ski/cameras-and-lenses/

Ciechanowski从基本功能和原理开始解释相机。第一件事是谈论摄影所需的“光”。数码相机有一种以网格方式排列被称为图像传感器的光电探测器。图像传感器是将光子转换为可测量的电流，相当于图像传感器的接收到光子越多，信号越高。

通过左右移动灰色滑块来推进时间，可以确认光子通过格子状配置的小图像传感器的情况。每个图像传感器读取的信号将转换为右侧显示的图像像素的亮度。光子的收集时间越长，相当于图像传感器的光子的数量越多，图像内的像素越明亮。光子的收集时间短的话曝光不足，图像变暗，收集时间长的话曝光过度，图像变得过亮。

光子有多种颜色，但图像传感器无法识别该颜色，并且仅检测光子的强度。为了识别颜色，有必要将光子分成不同的组。通过在探测器上安装小滤色片，可以只识别红色光、绿色光和蓝色光。在网站上，您可以通过移动条形图来查看只有特定颜色通过筛选器的情况。

这种过滤器有几种放置方法，但最简单的过滤器称为拜尔滤色镜（英语：Bayer filter）。 2个人类眼睛容易识别的绿色滤镜，1个蓝色滤镜和1个红色的滤镜放置在2×2的方格，通过复制和连接该配置，可以在大范围内识别颜色。

通过移动滑块，您可以看到通过每个滤镜的光子是如何显示的。此滤镜仅识别颜色的强度，并且无法显示特定颜色。

显示普通图像的最后一步是执行称为“去马赛克”的过程。此过程通过每个滤镜的光子颜色与相邻颜色相辅相成，并在一定程度上再现了原始颜色。移动滑块以查看去马赛克过程。即使在此过程中，图像的整体亮度也取决于光子通过的时间长度，这一时间称为“快门速度（曝光时间）”。

模型被转移到光中。它具有图像传感器和彩色滤光片，可在相机中拍摄球体，该摄像机可以进行去马赛克处理，但在光线下看不到任何内容。

这是因为光子在一点上被收集到收集光的传感器上。红色的球反射红色，绿色的球反射绿色，不过，因为反射了的那个全部的颜色象以下一样地从所有的方向一点被收集，照相机看起来什么都没拍到，因为反射的所有颜色都从各个方向收集到一个点，如下所示：

为了正确显示图像，必须限制通过传感器的光子范围。切哈诺夫斯基创建了一个盒子模型，将传感器放入其中，并在前面创建了一个小孔。您可以在黑色滑块上更改孔的大小，橙色滑块更改孔到传感器的距离。盒子的内部是黑色的，所以光线不会反射到盒子里。此外，传感器位于盒子的内部后部，通过孔照射光线。这个盒子是所谓的“针孔相机”。

通过移动黑色滑块和橙色滑块，您可以看到球体在传感器上的显示方式。这里可以看出，图像是上下左右反转显示的。

因为光在通过孔时会交叉，所以会反转显示如下：

您可以通过移动橙色滑块来改变孔到传感器的距离会改变可以显示的范围。

虽然所有光线都穿过孔，但通过改变从孔到传感器的距离，传感器的接收范围会发生变化，显示的范围也会发生变化。您还可以从顶部查看模型，以便您可以看到光线照射范围如何变化。

此外，您可以看到，孔的大小越大，照射到传感器的光范围就越大。

但是，如果将可以变更孔大小的结构与刚才制作的相机组合起来的话，由于碰到传感器的光子变少，所以图像会变暗，如下所示。这可以通过提高图像传感器的灵敏度（ISO灵敏度）来使其变亮，但是图像可能会产生噪音，图像可能会产生模糊。

另一种方法是将传感器放置在光线穿过焦点孔的点，以消除图像模糊和暗淡问题，但为此，您需要正确控制孔。

在孔的部分放上玻璃，光线通过的话就会这样折射。为了将光线集中在一个地方，需要将向上和向下折射两种玻璃组合起来。

当一些玻璃被组合时，光线会向一个位置折射。玻璃数量越接近无穷大，精度就越高，但还不完美。通过创建形状平滑的凸透镜，光线现在集中在一个点上。从镜头的主点到焦点的距离是焦距。

焦距（f）取决于镜头的折射率（n）和镜头的形状。折射率和透镜越小，焦距越长，反之越大焦距越短。

接下来将镜头安装到创建的模型中。在以后的模型中，可以在蓝色条上滑块更改焦距本身。

通过操作更改焦距和孔到传感器距离的滑块，可以确认图像是否对焦。本来是和针孔照被摄体靠近镜头时，焦点不符合传感器，光线会扩散成圆形，但这个圆被称为“错乱圆”。实际上，传感器的位置完全对准焦点是不可能的，但是如果这个错乱圆的大小在某种程度上的话，在人类的眼里会被认为是对焦的。相机一样反转显示的，但是这次的情况是修正后显示的。

即使焦距和孔到传感器的距离可以更改，相机的位置也必须固定才能对焦，因此无论摄像机移动到何处，都必须对焦。但是，具有固定焦距的单焦镜头不能像生物体的“眼睛”改变不同地形状，因此必须组合使用多个镜头。

当主体靠近镜头时，焦点与传感器不对齐，光线以圆形传播，但此圆称为“弥散圆（circle of confusion）”。事实上，不可能完全聚焦传感器的位置，但如果这个弥散的圆圈足够大，它就会被人眼看到。

要调整弥散圆的大小，必须使圆锥形的角度变浅，称为“光锥”，从镜头到焦点。用于此目的的板称为“光圈”，通过调节安装在孔上的大小，可以直接遮挡通过孔的光线。

光圈是实际相机中一些板的组合。

光圈的开口是多边形的，所以照片上产生的模糊也经常变成多边形。

光圈的开口部的大小越小（光圈值越大），拍摄的图像的更大范围的焦点越清晰，有这个焦点的范围称为“景深”。

移动以下黑色滑块（光圈大小）、蓝色滑块（焦距）和红色滑块（主体相对于相机的位置）栏时，可以看到 3D 模型中显示的两个蓝点之间的景深会发生变化。开口越小，焦距越长，景深越宽，开口越大，焦距越短，景深越窄。表示被摄体位置的红点在景深范围内时，成为有焦点的图像。

虽然这是用理论来讨论摄影，但在现实中，当主体转换为图像时，就会发生模糊和失真。有不同类型的现象，特别是与单色光相关的五种现象，它们被归类为赛德尔的五像差(Zaidel像差)。

切哈诺夫斯基最后总结道：“拍摄似乎只是按下智能手机或数码相机上的快门按钮，但实际上，由于精心引导的光线和精密设备，才能拍摄使现实。”