4.1. Kamera otworkowa (pinhole)

Zanim pojawi się sensor, musi powstać obraz, a geometria tego obrazu jest wyznaczana przez element optyczny umieszczony przed sensorem. Najprostszym takim elementem jest otworek (pinhole) – pojedynczy mały otwór w skądinąd nieprzezroczystej ściance, będący koncepcyjnym przodkiem każdego obiektywu kamery.

4.1.1. Powstawanie obrazu

Scena musi być oświetlona, aby było cokolwiek do sfotografowania. Światło ze słońca, lampy lub dowolnego innego źródła pada na obiekty w scenie; każdy punkt każdego obiektu pochłania część tego światła, a resztę rozprasza we wszystkich kierunkach. To właśnie te rozproszone promienie zbiera kamera.

Większość promieni opuszczających dowolny punkt sceny trafia w ściankę pudełka i się zatrzymuje; nieliczne, które przechodzą przez otworek, biegną po linii prostej i uderzają w tylną ściankę pudełka w pojedynczym punkcie wyznaczonym przez geometrię otworka.

Każdy punkt sceny rzutuje się przez otworek na unikalny punkt na tylnej ściance. Ponieważ promienie krzyżują się w otworku, obraz jest odwrócony.

Góra i dół zamieniają się miejscami, a wraz z nimi lewa i prawa strona. Kamery przywracają oba kierunki dalej w łańcuchu przetwarzania, dzięki czemu finalny obraz wygląda właściwą stroną do góry.

4.1.2. Geometria rzutowania

Niech \(f\) będzie odległością od otworka do tylnej ścianki, a \(D\) odległością od otworka do punktu sceny o rzeczywistej wysokości \(H\). Prosty promień biegnący od wierzchołka punktu sceny przez otworek pada na tylną ściankę na wysokości obrazu

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

Obiekt o wysokości 1 m znajdujący się w odległości 5 m, oglądany przez otworek odległy o 25 mm od tylnej ścianki, rzutuje się na obraz o rozmiarze \(25 / 5000 = 1/200\) rzeczywistego – czyli odwróconą strzałkę o wysokości 5 mm na ściance.

Odległość \(f\) jest tutaj ogniskową kamery. Pomaga poznać ten termin w sytuacji, w której jest on dosłownie długością – głębokością pomiędzy płaszczyzną obrazowania a elementem skupiającym na niej światło. Każdy obiektyw, który później zastąpi ten otworek, także będzie miał ogniskową, i ta sama skala rzutowania \(f / D\) będzie obowiązywać.

4.1.3. Kompromis przysłony

Otworek będący matematycznie punktem tworzy idealnie ostry obraz każdego punktu sceny, ale punkt nie zbiera światła – obraz jest niewidocznie ciemny. Rozwiercenie otworu przepuszcza więcej światła, więc obraz jest jaśniejszy, ale każdy punkt sceny rzutuje się teraz na plamę o rozmiarze otworu, a nie na pojedynczy punkt. Obraz robi się jednocześnie jaśniejszy i bardziej rozmyty, i nie istnieje taki rozmiar otworu, który dawałby zarazem ostry i jasny obraz.

Obiektyw usuwa ten kompromis. Jest to szerszy otwór, który jednocześnie ponownie skupia każdy wchodzący do niego promień z powrotem do pojedynczego punktu na ściance, dzięki czemu obraz jest zarazem jasny (bo otwór jest szeroki) i ostry (bo promienie wciąż spotykają się w jednym punkcie). Następna strona przedstawia go właśnie w tych kategoriach.