第二章 摄影的基本知识与 影像误差处理,本章内容：,21 摄影原理与摄影机 22 摄影处理与像片的晒印 23 航空摄影与摄影对摄影的基本要求 24 像片影像误差及处理,第一节 摄影原理与摄影机,一、 摄影原理 根据小孔成像原理，用一个摄影物镜代替小孔，在像面处放置感光材料，物体的投射光线经摄影物镜后聚集于感光材料上，感光材料受成像光线的光化学作用后生产潜像，再经摄影处理得到光学影像，这一过程称为摄影。 摄影的主要工具是摄影机。 摄影物体再感光材料上的影像是摄影所获得的成果，此成果统称为像片。,针孔成像,像机成像原理,在像平面处放置感光材料，物体的入射光线经物镜后投射到感光材料上，经摄影处理形成影像。同时，感光材料有正性和负性，分别产生正片和负片（底片）。,二、摄影机 1、摄影机结构简介 摄影机的基本结构包括镜箱和暗箱两个部分。,摄影机剖面图,一般单眼反光相机的机构图,镜箱是摄影机的光学部分，它包括物镜筒、镜箱体和像框平面。 物镜筒内嵌有摄影物镜、光圈和快门，光线由物镜筒进入摄影机内。 镜箱体是一可以调节摄影物镜与像框平面之间距离的封闭筒。 暗箱是存放感光材料用的，安装在镜箱体的后面，摄影时借助机械或其他装置的作用，使感光材料展平并紧贴在像框平面上。 像框平面就是光线通过摄影物镜后的成像平面。,、摄影物镜 摄影机物镜是一个复杂的光学系统，它由多个透镜组合而成，在摄影时起成像和聚光作用。 单透镜物镜有各种像差，为克服像差的影响，一般摄影机物镜都是由几个组合透镜组合而成。 透镜两球面曲率中心的连线是透镜的光轴，物镜光学系统中诸透镜的光轴应重合为一，即为物镜的主光轴。物体的投射光线经诸透镜界面的逐次反射后，最终取得折射光线。,Wild Aviogon和Super-Aviogon镜头的结构,AB是物方空间一平行于主光轴的光线，经物镜诸透镜界面折射后得折射光线CD，CD与主光轴相交于主光轴F点，延长AB和CD交于点h，过h作垂直于主光轴的主平面Q，发现平行于主光轴的诸投射光线的折射光线，都在平面Q上发生折射现象。,当投射光线从物镜另一方射入，同样方法可以得物镜的另一个折射面Q。 因此，不管物镜由多少个透镜组成，经过多少次的折射，其结果都相当于在主平面Q和Q上发生折射。 由此，可以用主平面Q和Q作为等价物镜，作图时采用Q和Q代表物镜实体。,主平面Q和Q将空间分为两部分，物体所处的称为物方空间，影像所处的称为像方空间。Q和Q也相应称为物方主平面和像方主平面。平面Q和Q与物镜主光轴的交点S和S相应称为物方主点和像方主点。与主光轴斜交的诸投射光线折射后交于主光轴的F点，称为物方焦点；由物方平行于主光轴的诸投射光线折射后交于主光轴的F点，称为像方焦点。S到F的距离称为物方焦距，也用F表示，S到F的距离称为像方焦距，用F表示。过像方焦点作垂直主光轴的平面称为焦平面。,在由物点发射的诸入射光线和经物镜出射的诸成像光线中，有一对共轭光线，其入射光线与主光轴的夹角和出射成像光线与主光轴的夹角恰好相等，如图，此时共轭光线与主光轴的交点分别为k和k，称点k为前方节点，又称物方节点；点k为后方节点，又称像方节点。,综上，一个物镜有一对主点、一对焦点和一对节点。当物方空间和像方空间介质相同时，理想的物镜，一对节点正好与一对主点重合。这时物镜的主点就具有节点的特性，即 ，像方焦距等于物方焦距。具有节点的一对共轭光线，正好通过物镜主点，称此投射光线为某一物点的主光线。主光线在摄影测量中有很重要的意义。设想物镜的两个主平面重合，由于主光线的 ，则投射光线与折射光线为一条直线，在像平面位置一定时，物点在像片平面上的影像可以由主光线与像片平面的交点来确定。,、物镜的成像公式 如上上页的图中所示，物方主平面Q到物点A的距离D，称为物距；像方主平面Q到像点a的距离d，称为像距。物镜的焦距为F。由光学成像公式可知：,上面这个公式称为构像公式。它表示一个物点发出的所有投射光线，经理想物镜后所有对应的折射光线仍然会聚于一个像点上，则这个像点是清晰的。若物距和像距分别取焦点F和F为起算点，相应的物距和像距用X和x表示，则得构像公式的另一种形式：,、物镜的光圈和光圈号数 实际使用的物镜都不是理想的，通过物镜边缘部分的投射光线都会引起较大的影像模糊和变形。为限制物镜边缘部分的使用，并控制和调节进入物镜的光量，通常在物镜筒中间设置一个光圈。 现有一束平行于主光轴的光线投向物镜，当在物镜前面设置一个光圈时，光圈的直径就起到限制进入物镜光线束柱的断面面积的作用。其面积为：,起着控制光束柱面积的真实光圈孔径，称为有效孔径，以d表示。,有效孔径d与物镜焦距F之比称相对孔径（d/F)。 相对孔径的倒数KF/d，称为光圈号数。 所以，焦面上影像的亮度与光圈号数的平方成反比。 曝光量HEt（其中E为照度，t为曝光时间） 如果保持原光圈号数不变，而曝光时间改变一档，或者保持原曝光时间不变，而光圈号数改一档，则曝光量将改变一倍。,景深和无穷远起点 把摄影对光调焦于D距离时远景点B和远景点C之间的纵深间距，称为景深。 计算景深DF公式为：,补充知识（一）底片：光线是如何使胶片感光的,摄影胶片：由均匀涂布着感光乳剂的透明塑料片基构成，这些乳剂由明胶和卤化银结晶体组成。只要卤化银晶体颗粒遇到光，明胶就会使晶体凝固在片基上。 光的作用就象胶水一样，会使银晶体结合在一起。胶片曝光后，这些晶体颗粒立即结成团块。起初这种变化是看不见的，但经过化学药品的显影后，这些银团块就会具有一定密度。未经曝光的晶体颗粒在化学处理中会被从胶片上去掉。不同密度的银团块就组成了拍摄的影象。,（二）胶片曝光的控制光圈和快门,照相机的一个重要功能就是让胶片得到正确的曝光。精确的曝光能使摄影者得到一张从亮到暗密度分布丰富的底片。底片上薄（透明）的部位称为阴影区域（因为它们代表物体的黑暗区域） ；底片上厚的部位称为高光区域（因为它们代表物体的明亮区域）。 一张好的底片，其阴影区域是薄的，但又不是完全透明的，需要有一定的密度来表现阴影区域的细节。同样，它的高光区域是厚的，但也不是漆黑一片，太厚则要失去最明亮部分的细节。,照相机利用镜头和快门来控制正确曝光的。 镜头具有汇聚光线的能力，它里面有一个用以控制镜头有效通光口径的装置，称为光圈。 大多数照相机里的光圈都是可调的，它能够使不同的光量通过并照射到胶片。,快门是一个使胶片不曝光的挡板，只有当快 门按钮按下时它才打开让光线通过。快门打开 的时间称为快门速度，在大多数照相机里，它 也是可调的。 这样，由光圈控制的一定光量通过照相机的 镜头并在快门打开的时间里使胶片感光。这些 因素的适当组合就会产生一张曝光正确的底片。,（三）数码相机的成像,数码相机与传统相机不同之处就是其“胶卷”就是其成像感光器件，而且是与相机一体的，是数码相机的心脏。 感光器是数码相机的核心，也是最关键的技术。数码相机的发展道路，可以说就是感光器的发展道路。目前数码相机的核心成像部件有两种：一种是广泛使用的CCD（ Charge Coupled Device，电荷藕合）元件；另一种是CMOS（ Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补金属氧化物导体）器件。,CCD图像传感器使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。 CCD本身是单色元器件，通过贴在其上的彩色滤镜采集色彩，当光线从红、绿、蓝滤镜中穿过时，就可以得到每种色光的反应值。形成一个与所感受的光线一一对应的模拟量（电流或电压）。,CMOS和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带电） 和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。,（四）印片,1、传统胶片的反转负像 制作照片是利用通过底片投射到相纸上的光进行曝光来完 成的。到达相纸上的光量是受包括底片密度在内的若干因素影 响的。 摄影胶片和相纸的感光原理非常相似，只不过胶片的光敏 卤化银和明胶乳剂涂布在透明的塑料片基上，而相纸的光敏乳 剂涂布在白纸基底上。相纸的工作原理跟胶片的相似，曝光使 银晶体颗粒凝聚成看不见的团块。经过显影后变黑。曝光时间 越长，晶体聚集就越多，冲洗后相纸就变得越黑。相纸未曝光 或曝光较少的区域仍保持白色或浅色，化学药品会将未曝光(当 然也未形成团块）的卤化银晶体除掉。,大多数印片工作都是利用放大机完成的，放大机 是一种能使光源通过底片投影并且其镜头能将影象 汇聚在相纸上的装置。就某种意义而言，可以说放 大机是用于照片制作过程的，而照相机是用于底片 制作过程的。,数码相片的打印 热升华工作原理，是利用升华这个从气态到固态和固态到气态不需中间状态， 互相转化的过程来实现。一般热升华打印机是通过打印头，把色带上的三色(R,G,B）油墨分别升华到相纸上组合而成一幅完整的相片。 具体工作原理： 色带上的干性固态油墨，即调色剂与聚合物混合体，被薄薄地涂在色带上 分为R、G、B色三块，与所打印的相纸尺寸相同，还有一种是CMYK型。 当 打印时，相纸和色带同时通过一个滚子，在打印头下均被加热，利用打印头上 直径小于40m的单晶硅发热点阵,打印头上的发热点阵通电，将涂在色带上的 干性固态油墨融化。加热过程中，发生奇妙的转化，在一定温度下，热力分开 聚合物分子，当打印头一过，温度下降，油墨由气态变为固态，油墨嵌入聚合 物，聚合物分子聚合在一起（这就是为什么热升华打印擦不掉的原因）。当一 种色彩印过后，自动移到开头进行下一种颜色，分辨率取决于加热元件，颜色 饰加的多少取决于加热元件的温度，在一张相纸上升华色带产生几百万个颜色 的混合体。所以可得到优质的图片效果。,（五）照相机机身,功能： 被摄景物的取景和调焦 存贮胶片(或感光元件) 胶片的安装与输送（存储器的安放或影象数据的存储、输出）,照相机机身是一个不透光的容器，它还包括：一个快门，用以控制曝光时间的长短；常常还附带有一只测光表，用以在不同照明条件下确定正确的曝光量。,被摄景物的取景和调焦,摄影者在取景装置中可以看到所拍照片的画面如何。调焦装置可以使摄影者在胶片上获得一幅清晰的景象。,（六） 照相机镜头,影象的焦距 光通量 影象范围 景深,照相机镜头是安装在照相机身前部的，它正对着胶片并在胶片的前面。照相机镜头具有四种控制作用，即控制：影象的焦距、到达胶片的光通量、影象的范围和影象的景深。,物方主平面,像方主平面,物方主点,像方主点, 无论物镜由多少个透镜组成，经过多少次的折射，其结果都相当于在主平面Q和Q上发生折射，因此可以用主平面代替等价物镜。 共轭光线：在由物点发射的诸入射光线和经物镜出射的诸成像光线中，有一对共轭光线，其入射光线与主光轴的夹角和出射光线与主光轴的夹角相等。此时，共轭光线与主光轴的交点分别为 ，分别称为前方节点（物方节点）和后方节点（像方节点）。,1、影象的焦距 焦距公式： 大多数镜头，是通过转动镜头筒上的调焦环使镜片向里移动（靠近胶片）或向外移动（远离胶片）来进行调焦的。 有些照相机，影象是通过取景器看到的，焦点没调准时影象模糊，而焦点调准时影象清晰；另外一些照相机，焦点没调准时影象是重叠的，而焦点调准时影象只有一个。,2、光通量 光线必须通过镜头上的光孔或光圈才能到达胶片。几乎所有镜头的光圈都是可调的。要得到曝光准确的胶片，光圈大小的选择是非常重要的。一般地，光线较暗时拍摄，需要较大的光圈，以让足够的光线照到胶片；光线较强时拍摄，则需要