4.1. 针孔摄像机¶

在传感器接收图像之前，必须先形成一幅图像，而这幅图像的几何形态由位于传感器前方的光学元件决定。最简单的这类元件就是针孔——在一面原本不透光的壁上开一个小孔，它是每一个摄像机镜头在概念上的鼻祖。

4.1.1. 图像的形成¶

场景必须被照亮，才会有可供成像的东西。来自太阳、灯具或任何其他光源的光线照射到场景中的物体上；物体上的每一个点都会吸收一部分光，并将其余的光向各个方向散射出去。摄像头收集的正是这些散射出去的光线。

从任意一个场景点离开的大多数光线都会打在盒子的壁上并停止；少数几条穿过针孔的光线各自沿直线传播，并击中盒子的后壁上由针孔几何关系所决定的某一个点。

上下互换，左右也随之互换。摄像机会在后续处理流程中将两者重新换回来，使最终图像看起来正立。

设 \(f\) 为针孔到后壁的距离，\(D\) 为针孔到某个真实高度为 \(H\) 的场景点的距离。一条从该场景点顶端经过针孔的直线光线，落在后壁上的成像高度为

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

一个高 1 m、位于 5 m 远处的物体，由距后壁 25 mm 的针孔观察，投影出的图像为其真实尺寸的 \(25 / 5000 = 1/200\)——即壁上一支高 5 mm 的倒立箭头。

这里的距离 \(f\) 就是摄像机的焦距。在它字面上确实是一段长度的场景中初识这个术语会有所帮助——即成像平面与将光线聚焦到该平面上的元件之间的深度。之后取代这个针孔的每一个镜头同样都有焦距，并且同样适用 \(f / D\) 的投影缩放关系。

一个在数学上是一个点的针孔，能为每一个场景点形成完美清晰的图像，但一个点不收集任何光线——图像会暗到看不见。将孔扩大让更多光线通过，于是图像更亮，但每一个场景点现在投影成一个与孔同样大小的光斑，而不是单一的点。图像在变亮的同时也变得更模糊，并且不存在某个能同时给出清晰且明亮图像的孔径大小。

镜头消除了这种权衡。它是一个更宽的开口，同时还会将进入它的每一条光线重新聚焦回壁上的同一个点，因此图像既明亮（因为开口宽）又清晰（因为光线仍汇聚于一点）。下一页将以这样的角度来介绍镜头。