一、获取图像——小孔成像实验

小孔成像实验中，点燃蜡烛，会在小孔另一面的白纸上看到一个倒立的烛焰。

此现象可以用来解释物理学原理：光在同种均匀介质中，在不受引力作用干扰的情况下沿直线传播。

这样，我们就用一种最简单的方法在白纸上获得了蜡烛烛焰的图像。

二、捕获图像——底片原理

如果将小孔成像实验中的白纸换为底片（胶片），就可以将蜡烛烛焰的图像记录下来。

胶片的全称为银盐感光胶片，也叫菲林，原理是将卤化银涂抹在乙酸片基上，当有光线照射到卤化银上时，卤化银转变为黑色的银，经显影工艺后固定于片基，成为我们常见到黑白负片，而彩色负片则是涂抹了三层卤化银以表现三原色。

这样一个最简单的照相机就诞生了。

三、聚焦成像——凸透镜的成像原理

小孔成像实验中，蜡烛自身是强光源，才能透过小孔在白纸上成像，所以该种方式对光源的要求极高，在日常生活中，我们不可能像蜡烛一样点亮自己，更多的是靠太阳光进行漫反射。

凸透镜可以改变光线折射率，对光线进行聚焦成像，凸透镜的成像原理如下：

1. 焦距

焦距是指平行光线通过镜头汇聚到一点，这一点到镜头中心的距离称为焦距，也就是上图中的F。

2. 凸透镜成像规律的应用

首先需要知道什么是物距？什么是相距？物距指的是上图中左边物体与镜头的距离，记作 u u u，相距指的是上图中右边成像与镜头的距离，记作 v v v。

（1）照相机

成像规律：当物体处于凸透镜的2倍焦距之外（ u > 2 F u>2F u>2F），成倒立的、缩小的、实像，成像位于一倍焦距和二倍焦距之间（ f < v < 2 F f<v<2F f<v<2F）

根据此成像规律，可以将凸透镜应用于照相机，拍摄2倍焦距之外的物体。

（2）投影仪

成像规律：当物体处于凸透镜的1倍焦距和2倍焦距之间（ F < u < 2 F F<u<2F F<u<2F），成倒立的、放大的、实像，成像位于二倍焦距之外（ v > 2 F v>2F v>2F）

根据此成像规律，可以将凸透镜应用于投影仪，放大在1倍焦距和2倍焦距之间的物体成像。

（3）放大镜

成像规律：当物体处于凸透镜的1倍焦距之内（ u < F u<F u<F），成正立的、放大的、虚像，并且物体和成像在凸透镜的同一侧。

根据此成像规律，可以将凸透镜应用于放大镜，放大在1倍焦距之内的物体成像。

3. 焦距与视角的关系

视角的专业名词叫视场角（Field of view），简称FOV，指照相机最终能成像的角度范围。

视角与焦距之间的关系如下图：

图中 f f f是焦距， h h h是感光元件的长度，可以近似得出焦距与FOV角度的关系：
F O V = 2 a r c t a n ( h 2 f ) FOV=2arctan(\dfrac{h}{2f}) FOV=2arctan(2fh)
得出结论：当f越小，FOV越大，即焦距越小，成像角度范围越大。

镜头的焦距和视角对应情况如下：

不同焦距的镜头拍摄出的实际成像区别如下：

一般情况下，相机镜头可以按视角分为

鱼眼镜头：焦距为16mm或更短，视角范围极广，接近180°
超广角镜头：24mm以下
广角镜头：24-35mm，视角范围广，景物个体小
标准镜头：35-85mm，视角接近于人类的视野
远摄镜头：85-300mm，视角范围窄，景物个体大
超远摄镜头：300mm以上

具体的相机镜头分类可以参考这篇文章：摄影入门之相机镜头的分类。

四、数字图像——感光元件（sensor）

胶片的原理是通过光产生化学反应来记录，而感光元件的原理将光转化为模拟电信号来记录，感光元件使得照相机从传统的胶片相机变为数码相机。

感光元件产生的模拟信号，首先经过模拟信号放大器进行信号放大，进而经过数模转换电路（DAC）变为数字图像，数字图像再经过ISP（Image Signal Processor）图像处理器进行数字图像处理，最后数字图像经过压缩编码算法，存储到SD卡中成为一个照片文件。

感光元件也叫图像传感器（sensor），分为两种：一种是广泛使用的CCD(电荷耦合)元件，另一种是CMOS(互补金属氧化物半导体)器件。

1. CCD

CCD全称Charge Coupled Device，它使用一种高感光度的半导体材料制成，由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。

当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，即把光转换为电荷，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

2. CMOS

CMOS全称Complementary Metal-Oxide Semiconductor，它主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着N极和P极的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录为影像。

两者最主要的区别在于：CCD传感器的图像质量优于CMOS传感器，而CMOS传感器在成像速度、功耗、价格等方面优于CCD传感器。

关于CCD和CMOS的详细区别分析，参考文章：全面详细解析CMOS和CCD图像传感器。

以上就是相机中最基本的原理，下篇文章将来介绍相机中常见的一些参数。

摄影入门 | 相机的基本原理相关推荐

摄影入门--自我记录
摄影入门整理一.认识相机参数具体含义 1.光圈 2.快门 3.iso 4.白平衡一.认识相机参数具体含义 1.光圈一般相机镜头的命名方式:焦段+光圈 eg.富士35 f2 光圈的两个作用: 影响 ...
SIGGRAPH 2020 | 基于样例的虚拟摄影和相机控制
编者按生命在于运"动",场景在于"动"态,摄影在于相机移"动"."动"是常态,也是图形生成.理解与呈现的核心研究对象. ...
星野摄影入门（全流程）
前几天跟着大佬们拍摄了英仙座流星雨,回到家中自己处理了一下照片,感觉星野摄影也不是那么难,接下来我就从最开始根据自己的理解和大佬们的经验向大家介绍一下星野摄影的全流程,我也是刚入门,可能有很多讲的不对 ...
计算摄影：相机成像流程 —— ISP
我们用单反或者手机拍照的时候,从取景到最终出图,是有一个完整的 pipeline 的,今天我们就大概介绍一下这个 pipeline:如何从环境光到 RAW 图再到最后的 JPEG 图. sensor ...
摄影入门-之一-什么是单反
单反数码单镜反光相机(Digital Single Lens Reflex Camera,常简称为DSLR),简称数码单反相机. 相对于传统使用的单反相机,数码单反相机是以电荷耦合元件(Charge ...
摄影：相机的白平衡怎么用？
转自:https://baijiahao.baidu.com/s?id=1627541021956100392&wfr=spider&for=pc 白平衡,顾名思义就是保持白色的平衡, ...
摄影入门-之三-基础理论篇
焦距镜头的焦距分为像方焦距和物方焦距.像方焦距是像方主面到象方焦点的距离,同样,物方焦距就是物方主面到物方焦点的距离.必须注意,由于照相机镜头设计,特别是变焦距镜头中广泛采用了望远镜结构,物方焦距与 ...
学摄影：烟花摄影入门技巧
摄影:TF 对于一个刚进入摄影世界的新手来说,拍摄烟花(花火)看来跟拍摄夜景一样不是太复杂,可是到真正拍摄时又会变得手忙脚乱,照片出来的效果未必理想,那么究竟拍摄烟花时有什么技巧呢?怎样拍才能拍得好呢 ...
8 Babylonjs基础入门相机，模型碰撞和重力效果
你玩过第一人称的射击游戏吗?大作CF,CS类型的.本教程,我们将模拟相同的相机运动:摄像机在地面,将和地面产生碰撞效果,并可以与场景中的任何其他模型也会发生碰撞. 如何实现碰撞为了实现这种效果,我们 ...

摄影入门 | 相机的基本原理