4.1. 針孔相機¶

在感測器接收影像之前，必須先有影像成形，而這個影像的幾何形狀，取決於感測器前方的光學元件。最簡單的這類元件就是針孔——在不透光牆面上的一個小開孔，也是每一個相機鏡頭在概念上的始祖。

4.1.1. 影像成形¶

場景必須有光照，才會有可供成像的東西。來自太陽、燈具或其他任何光源的光線照射到場景中的物體；物體上的每一個點都會吸收部分光線，並將其餘的光線朝各個方向散射出去。相機所收集的，正是這些被散射出去的光線。

從任一場景點射出的大多數光線都會打在箱壁上而停止；少數穿過針孔的光線則各自沿直線前進，並打在箱子的後壁上，落點是由針孔的幾何位置所決定的單一點。

上下對調，左右也隨之對調。相機會在後續處理流程中將兩者都還原，使最終影像看起來是正立的。

設 \(f\) 為針孔到後壁的距離，\(D\) 為針孔到實際高度為 \(H\) 的場景點的距離。從場景點頂端穿過針孔的一條直線光線，會落在後壁上某個影像高度處

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

一個高 1 m、距離 5 m 遠的物體，由距後壁 25 mm 的針孔觀看時，會投影成實際大小 \(25 / 5000 = 1/200\) 的影像——也就是牆上一個高 5 mm、上下顛倒的箭頭。

此處的距離 \(f\) 就是相機的焦距。在這個情境下，焦距字面上確實是一段長度——成像平面與將光線聚焦到該平面上的元件之間的深度，藉此理解這個名詞會很有幫助。日後取代這個針孔的每一個鏡頭也都會有焦距，而相同的 \(f / D\) 投影比例同樣適用。

數學上是一個點的針孔，可以為每一個場景點形成完美銳利的影像，但一個點無法收集任何光線——影像會暗到看不見。把孔鑽大可讓更多光線通過，使影像更亮，但每個場景點現在投影出來的是一個與孔徑同樣大小的光斑，而非單一一點。影像會同時變得更亮也更模糊，而且不存在任何一種孔徑大小能同時獲得銳利又明亮的影像。

鏡頭消除了這項取捨。它是一個較大的開孔，同時還能將進入它的每一條光線重新聚焦回牆上的同一點，因此影像既明亮（因為開孔大）又銳利（因為光線仍會匯聚於一點）。下一頁將以這樣的觀點介紹鏡頭。