4.1. Camera lỗ kim

Trước khi có cảm biến, phải có một ảnh được tạo thành, và hình học của ảnh đó được xác định bởi phần tử quang học nằm phía trước cảm biến. Phần tử đơn giản nhất như vậy là lỗ kim -- một lỗ nhỏ trên một bức tường không trong suốt, và là tổ tiên khái niệm của mọi ống kính camera.

4.1.1. Tạo ảnh

Cảnh phải được chiếu sáng để có gì đó để chụp ảnh. Ánh sáng từ mặt trời, đèn, hoặc bất kỳ nguồn nào khác chiếu vào các vật thể trong cảnh; mỗi điểm trên mỗi vật thể hấp thụ một phần ánh sáng đó và tán xạ phần còn lại theo mọi hướng. Những tia sáng tán xạ đó chính là thứ camera thu nhận.

Hầu hết các tia rời khỏi bất kỳ điểm nào trong cảnh đều chiếu vào tường hộp và dừng lại; một số ít đi qua lỗ kim, mỗi tia đi theo đường thẳng và chạm vào phía sau hộp tại một điểm duy nhất được xác định bởi hình học của lỗ kim.

Mỗi điểm trong cảnh được chiếu qua lỗ kim lên một điểm duy nhất trên tường phía sau. Vì các tia giao nhau tại lỗ kim, ảnh bị lộn ngược.

Trên và dưới đổi chỗ, kéo theo đó là trái và phải cũng đổi chỗ. Các camera sẽ đảo ngược cả hai ở bước xử lý tiếp theo để ảnh cuối cùng trông đúng chiều.

4.1.2. Hình học chiếu

Đặt \(f\) là khoảng cách từ lỗ kim đến tường phía sau và \(D\) là khoảng cách từ lỗ kim đến một điểm trong cảnh có chiều cao thực \(H\). Một tia thẳng từ đỉnh điểm trong cảnh qua lỗ kim chạm vào tường phía sau tại chiều cao ảnh

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

Một vật cao 1 m ở cách xa 5 m, được quan sát bởi một lỗ kim cách tường phía sau 25 mm, tạo ra ảnh có kích thước bằng \(25 / 5000 = 1/200\) kích thước thực -- một mũi tên lộn ngược cao 5 mm trên tường.

Khoảng cách \(f\) ở đây là tiêu cự của camera. Sẽ hữu ích khi làm quen với thuật ngữ này trong một ngữ cảnh mà nó thực sự là một khoảng cách -- độ sâu giữa mặt phẳng tạo ảnh và phần tử hội tụ ánh sáng lên đó. Mỗi ống kính thay thế lỗ kim này sau này đều có tiêu cự, và tỉ lệ chiếu \(f / D\) tương tự sẽ được áp dụng.

4.1.3. Sự đánh đổi khẩu độ

Một lỗ kim về mặt toán học là một điểm tạo ra ảnh hoàn toàn sắc nét của mọi điểm trong cảnh, nhưng một điểm không thu được ánh sáng nào -- ảnh sẽ tối vô hình. Khoan rộng lỗ cho phép ánh sáng đi qua nhiều hơn nên ảnh sáng hơn, nhưng mỗi điểm trong cảnh bây giờ chiếu qua thành một vệt có kích thước bằng lỗ thay vì một điểm duy nhất. Ảnh trở nên sáng hơn và mờ hơn cùng lúc, và không có kích thước lỗ nào cho phép có cả ảnh sắc nét lẫn sáng.

Ống kính loại bỏ sự đánh đổi đó. Nó là một lỗ mở rộng hơn nhưng cũng hội tụ lại mọi tia sáng đi vào nó về một điểm duy nhất trên tường, vì vậy ảnh vừa sáng (vì lỗ mở rộng) vừa sắc nét (vì các tia vẫn hội tụ tại một điểm). Trang tiếp theo giới thiệu nó theo những thuật ngữ đó.