照相机的成像原理（你要是不懂小孔成像）

一、小孔成像

公元前5世纪，中国古代科学家墨子在其著作《墨子》中记录了对光的特性和反射的观察和思考，记录了光通过一个小孔在平面上形成倒像的现象。在西方，大约公元前330年，古希腊哲学家

科学家亚里士多德也记录了针孔成像，并在教科书中提出暗室的概念。

1490年，达芬奇在他的《大西洋手稿》中首次以图片的形式记录了暗房的概念和操作。艺术家可以通过投影在暗室中描绘真实的生活场景。他们以暗室为工具，在画布上画出自然风景的大致轮廓，然后填充颜色。

我们可以把现代相机的原始形态追溯到暗室，它的成像原理是针孔成像。暗室，即一个黑暗封闭的房间，光线通过一个非常小的洞进入，在墙上投射出一个图像。这个图像是小洞外的场景，但好像是颠倒的。这是现代相机的雏形。暗室涉及两个技术问题：一方面，光入射孔径的大小决定了投射到后墙上的图像的锐度，另一方面，如何固定图像。从这两个问题出发，很多科学家都争相发明摄影。

1550年，数学家卡尔达诺(1501-1576)发明了在暗室中安装透镜来控制图像聚焦的方法。

1611年，德国人约翰尼斯约翰尼斯开普勒(1571-1630)发明了一种便携式黑匣子，并首次使用了“黑匣子”的概念。

1773年，瑞典化学家卡尔威廉舍勒(Karl Wilhelm Scheele，1742-1786)发现，通过化学还原反应，可见光谱的蓝紫色端会在氯化银中发挥明显的作用，并促使其从银盐转变为金属盐。

罗兰巴特(1915~)提醒我们：“摄影是两个不相关的过程的交集。一种是化学过程：光在固定的表面产生化学作用；另一个是物理过程：通过光学设备形成图像的过程。”“画家使用的黑匣子只是一个物理过程的结果；而相机的本质可能在于化学的发现”。我们可以这样理解，正是因为这两个过程的结合，摄影的媒介才最终产生。

二、眼睛和照相机的区别

眼睛的视觉系统在视网膜上形成反转图像(图1-1-5)，其原理与相机镜头在胶片或数字图像传感器上形成反转图像非常相似。眼睛和相机的结构都和盒子一样，看起来都是用同样的光学原理成像的。盒子的一端是一个小孔，孔的大小控制着进入的光线量。同时镜头控制焦距。经过一系列折射，小孔外的世界在盒子的另一端形成图像。

在眼睛的视觉系统中，眼睛的角膜和晶状体相当于晶状体，可收缩的瞳孔相当于大小可变的光圈，大脑控制的眼调节肌相当于相机的测光系统、自动光圈系统和对焦系统，视网膜相当于传统的胶片或数字图像传感器。

1637年，勒内笛卡尔(1596~1650)在他的《折射光学》一书中通过实验验证了眼睛和相机之间相似的成像关系，并解释了图像是如何在视网膜上形成的。实验最初是这样进行的：一只切开的靶心被放在一个封闭的窗户上的一个小洞里，靶心向外看。仔细取出靶心底部的薄膜，直到底部非常薄且透明，眼睛没有破裂。这时候用纸巾放在靶心后面。室外光线较暗时，可以通过靶心在纸上形成外界的倒影。这个实验充分证明了眼睛的结构和摄像头的工作原理是一样的，两者都能形成大脑识别的倒像。

此外，眼睛和照相机的视觉系统的区别在于：

(1)感知光的亮度范围不同，也就是我们常说的曝光纬度不同。公差是指感光材料按照正确的比例记录一个场景亮度范围的能力。拍摄场景表面最亮部分到最暗部分的差异可以用明暗比例来表示。假设场景最亮的部分比最暗的部分亮20倍，明暗差的比例为1: 20。眼睛光线的亮度范围比相机大得多。比如晴天，虽然室外景色和室内反射光的亮度差异很大，但是我们的眼睛可以同时清晰地看到室内景色和窗外的景色。这种效果是相机永远无法达到的，只能专注于精确曝光室内景物使窗外景物曝光过度而失去细节，或者专注于精确曝光窗外景物使室内陈设曝光不足而失去细节。因此，在摄影实践中，我们必须遵循摄影感光材料的基本特性，而不是仅仅依靠自己的视觉体验作为唯一的参考。

(2)视角不同。相机可以随意更换不同焦距的镜头，依靠不同焦距的镜头来使视角变小或变大。眼睛的视角只相当于定焦镜头。

(3)相机可以看到一些眼睛看不到的东西，比如高速运动的物体，透视图像\红外图像等。

总之，眼睛和相机之间有很多细微的差别，但以上的差别是比较明显的，也能对相机成像产生很大的影响。

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三、卤化银成像与数字成像原理

照相最核心的要点就是把光变成照片。照片其实是一种让你产生错觉的东西，将任何物体反射回来的光收集到一张纸上就是一张照片。

通常，这个过程需要通过一组镜片来实现， 然后影像会被永久地记录下来，记录的方式有：

1．化学方式

卤化银是由银与一些卤素形成的化合物，具有感光性，与明胶乳剂等结合制成感光材料，即我们使用的胶片。卤化银成像即是使用胶片进行拍摄，并用一些化学药水在暗房中冲洗出照片的过程。

2．数字方式

数字成像使用影像传感器采集影像，如我们使用数码相机拍摄，然后通过数据存储器和处理器以及计算机的后期加工，最后使影像显示或打印出来的过程。数码影像艺术具有快速性、大众化等优点。