4.1. Camera cu gaură de ac (pinhole)

Înainte să existe un senzor, trebuie să se formeze o imagine, iar geometria acelei imagini este stabilită de orice element optic se află în fața senzorului. Cel mai simplu astfel de element este o gaură de ac (pinhole) – o singură deschidere mică într-un perete altfel opac, și strămoșul conceptual al oricărui obiectiv de cameră.

4.1.1. Formarea imaginii

O scenă trebuie să fie iluminată pentru ca să existe ceva de fotografiat. Lumina de la soare, de la o lampă sau de la orice altă sursă lovește obiectele din scenă; fiecare punct de pe fiecare obiect absoarbe o parte din acea lumină și împrăștie restul în toate direcțiile. Acele raze împrăștiate sunt cele pe care camera le colectează.

Majoritatea razelor care părăsesc un anumit punct al scenei lovesc peretele cutiei și se opresc; cele câteva care trec prin gaura de ac călătoresc fiecare în linie dreaptă și lovesc partea din spate a cutiei într-un singur punct determinat de geometria găurii de ac.

Fiecare punct al scenei se proiectează prin gaura de ac pe un punct unic de pe peretele din spate. Deoarece razele se încrucișează la gaura de ac, imaginea este inversată.

Sus și jos se inversează, iar stânga și dreapta se inversează odată cu ele. Camerele anulează ambele inversări mai departe în lanțul de procesare, astfel încât imaginea finală arată corect orientată.

4.1.2. Geometria proiecției

Fie \(f\) distanța de la gaura de ac la peretele din spate și \(D\) distanța de la gaura de ac la un punct al scenei de înălțime reală \(H\). O rază dreaptă de la vârful punctului scenei prin gaura de ac aterizează pe peretele din spate la o înălțime a imaginii

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

Un obiect înalt de 1 m aflat la 5 m distanță, văzut printr-o gaură de ac la 25 mm de peretele din spate, se proiectează într-o imagine de \(25 / 5000 = 1/200\) din dimensiunea sa reală – o săgeată inversată înaltă de 5 mm pe perete.

Distanța \(f\) de aici este distanța focală a camerei. Ajută să întâlnești acest termen într-un context în care este literalmente o lungime – adâncimea dintre planul de formare a imaginii și elementul care focalizează lumina pe el. Fiecare obiectiv care va înlocui ulterior această gaură de ac va avea de asemenea o distanță focală, iar aceeași scară de proiecție \(f / D\) se va aplica.

4.1.3. Compromisul aperturii

O gaură de ac care este matematic un punct produce o imagine perfect clară a fiecărui punct al scenei, dar un punct nu adună deloc lumină – imaginea este invizibil de slabă. Lărgirea găurii lasă să treacă mai multă lumină, deci imaginea este mai luminoasă, dar fiecare punct al scenei se proiectează acum într-o pată de mărimea găurii, în loc de un singur punct. Imaginea devine în același timp mai luminoasă și mai neclară, și nu există o mărime a găurii care să ofere atât o imagine clară, cât și una luminoasă.

Un obiectiv elimină acest compromis. Este o deschidere mai largă care de asemenea refocalizează fiecare rază care intră în ea înapoi într-un singur punct de pe perete, astfel încât imaginea este atât luminoasă (pentru că deschiderea este largă), cât și clară (pentru că razele se întâlnesc totuși într-un singur punct). Pagina următoare îl prezintă în acești termeni.