4.1. A lyukkamera

Mielőtt egy érzékelő képbe foglalhatna bármit, előbb létre kell jönnie a képnek, és e kép geometriáját az határozza meg, hogy milyen optikai elem helyezkedik el az érzékelő előtt. A legegyszerűbb ilyen elem a tűlyuk – egyetlen kicsi nyílás egy egyébként átlátszatlan falon, és minden kameraobjektív fogalmi őse.

4.1.1. A kép kialakulása

Egy jelenetnek megvilágítottnak kell lennie ahhoz, hogy egyáltalán legyen mit képbe foglalni. A nap, egy lámpa vagy bármely más forrás fénye eléri a jelenet tárgyait; minden tárgy minden pontja elnyeli e fény egy részét, a többit pedig minden irányba szétszórja. Ezeket a szórt sugarakat gyűjti össze a kamera.

Az egyetlen jelenetpontból kilépő sugarak többsége a doboz falának ütközik és megáll; az a néhány, amelyik áthalad a tűlyukon, mind egyenes vonalban halad, és a doboz hátsó falát egyetlen, a tűlyuk geometriája által meghatározott pontban éri el.

Minden jelenetpont a tűlyukon keresztül egy egyedi pontra vetül a hátsó falon. Mivel a sugarak a tűlyuknál keresztezik egymást, a kép fordított.

A felső és az alsó rész helyet cserél, és a bal és a jobb oldal is velük együtt. A kamerák a feldolgozási lánc későbbi részében mindkettőt visszafordítják, így a végső kép a helyes állásban jelenik meg.

4.1.2. Vetítési geometria

Legyen \(f\) a tűlyuktól a hátsó falig mért távolság, \(D\) pedig a tűlyuktól egy \(H\) valós magasságú jelenetpontig mért távolság. A jelenetpont tetejéből a tűlyukon át húzott egyenes sugár a hátsó falon a következő képmagasságban landol:

\[h = H \cdot \frac{f}{D}\]

Egy 1 m magas, 5 m-re lévő tárgy, amelyet egy a hátsó faltól 25 mm-re lévő tűlyukkal nézünk, valós méretének \(25 / 5000 = 1/200\) arányú képévé vetül – egy 5 mm magas, fordított nyíllá a falon.

A \(f\) távolság itt a kamera fókusztávolsága. Segít elsőként egy olyan környezetben találkozni a fogalommal, ahol az szó szerint egy hosszúság – a leképező sík és az arra a fényt fókuszáló elem közötti mélység. Minden objektívnek, amely később e tűlyuk helyébe lép, szintén lesz fókusztávolsága, és ugyanaz a \(f / D\) vetítési arány lesz érvényes.

4.1.3. Az apertúra-kompromisszum

Egy matematikailag pontnyi tűlyuk minden jelenetpontról tökéletesen éles képet alkot, de egy pont nem gyűjt össze fényt – a kép láthatatlanul halvány. A lyuk kifúrása több fényt enged át, így a kép fényesebb lesz, de most már minden jelenetpont egyetlen pont helyett a lyuk méretű foltra vetül. A kép egyszerre lesz fényesebb és homályosabb, és nincs olyan lyukméret, amely egyszerre adna éles és fényes képet.

Az objektív megszünteti a kompromisszumot. Ez egy szélesebb nyílás, amely egyúttal a belépő minden sugarat visszafókuszál egyetlen pontra a falon, így a kép egyszerre fényes (mert a nyílás széles) és éles (mert a sugarak még mindig egy pontban találkoznak). A következő oldal ilyen fogalmakkal vezeti be.