導(dǎo)讀相機(jī)已有200多年的歷史，但其結(jié)構(gòu)和功能非常復(fù)雜。巴托斯·西卡諾夫斯基（BartoszCiechanowski）先生創(chuàng)建了一個(gè)網(wǎng)站使用3D模型詳細(xì)介紹了數(shù)碼....

相機(jī)已有200多年的歷史，但其結(jié)構(gòu)和功能非常復(fù)雜。 巴托斯·西卡諾夫斯基（Bartosz Ciechanowski）先生創(chuàng)建了一個(gè)網(wǎng)站使用 3D 模型詳細(xì)介紹了數(shù)碼相機(jī)的工作原理。

Cameras and Lenses – Bartosz Ciechanowski

https://ciechanow.ski/cameras-and-lenses/

Ciechanowski從基本功能和原理開始解釋相機(jī)。 第一件事是談?wù)摂z影所需的“光”。數(shù)碼相機(jī)有一種以網(wǎng)格方式排列被稱為圖像傳感器的光電探測(cè)器。圖像傳感器是將光子轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電流，相當(dāng)于圖像傳感器的接收到光子越多，信號(hào)越高。

通過左右移動(dòng)灰色滑塊來推進(jìn)時(shí)間，可以確認(rèn)光子通過格子狀配置的小圖像傳感器的情況。每個(gè)圖像傳感器讀取的信號(hào)將轉(zhuǎn)換為右側(cè)顯示的圖像像素的亮度。光子的收集時(shí)間越長(zhǎng)，相當(dāng)于圖像傳感器的光子的數(shù)量越多，圖像內(nèi)的像素越明亮。光子的收集時(shí)間短的話曝光不足，圖像變暗，收集時(shí)間長(zhǎng)的話曝光過度，圖像變得過亮。

光子有多種顏色，但圖像傳感器無法識(shí)別該顏色，并且僅檢測(cè)光子的強(qiáng)度。 為了識(shí)別顏色，有必要將光子分成不同的組。 通過在探測(cè)器上安裝小濾色片，可以只識(shí)別紅色光、綠色光和藍(lán)色光。 在網(wǎng)站上，您可以通過移動(dòng)條形圖來查看只有特定顏色通過篩選器的情況。

這種過濾器有幾種放置方法，但最簡(jiǎn)單的過濾器稱為拜爾濾色鏡（英語：Bayer filter）。 2個(gè)人類眼睛容易識(shí)別的綠色濾鏡，1個(gè)藍(lán)色濾鏡和1個(gè)紅色的濾鏡放置在2×2的方格，通過復(fù)制和連接該配置，可以在大范圍內(nèi)識(shí)別顏色。

通過移動(dòng)滑塊，您可以看到通過每個(gè)濾鏡的光子是如何顯示的。 此濾鏡僅識(shí)別顏色的強(qiáng)度，并且無法顯示特定顏色。

顯示普通圖像的最后一步是執(zhí)行稱為“去馬賽克”的過程。 此過程通過每個(gè)濾鏡的光子顏色與相鄰顏色相輔相成，并在一定程度上再現(xiàn)了原始顏色。 移動(dòng)滑塊以查看去馬賽克過程。 即使在此過程中，圖像的整體亮度也取決于光子通過的時(shí)間長(zhǎng)度，這一時(shí)間稱為“快門速度（曝光時(shí)間）”。

模型被轉(zhuǎn)移到光中。 它具有圖像傳感器和彩色濾光片，可在相機(jī)中拍攝球體，該攝像機(jī)可以進(jìn)行去馬賽克處理，但在光線下看不到任何內(nèi)容。

這是因?yàn)楣庾釉谝稽c(diǎn)上被收集到收集光的傳感器上。紅色的球反射紅色，綠色的球反射綠色，不過，因?yàn)榉瓷淞说哪莻€(gè)全部的顏色象以下一樣地從所有的方向一點(diǎn)被收集，照相機(jī)看起來什么都沒拍到，因?yàn)榉瓷涞乃蓄伾紡母鱾€(gè)方向收集到一個(gè)點(diǎn)，如下所示：

為了正確顯示圖像，必須限制通過傳感器的光子范圍。 切哈諾夫斯基創(chuàng)建了一個(gè)盒子模型，將傳感器放入其中，并在前面創(chuàng)建了一個(gè)小孔。 您可以在黑色滑塊上更改孔的大小，橙色滑塊更改孔到傳感器的距離。 盒子的內(nèi)部是黑色的，所以光線不會(huì)反射到盒子里。 此外，傳感器位于盒子的內(nèi)部后部，通過孔照射光線。 這個(gè)盒子是所謂的“針孔相機(jī)”。

通過移動(dòng)黑色滑塊和橙色滑塊，您可以看到球體在傳感器上的顯示方式。 這里可以看出，圖像是上下左右反轉(zhuǎn)顯示的。

因?yàn)楣庠谕ㄟ^孔時(shí)會(huì)交叉，所以會(huì)反轉(zhuǎn)顯示如下：

您可以通過移動(dòng)橙色滑塊來改變孔到傳感器的距離會(huì)改變可以顯示的范圍。

雖然所有光線都穿過孔，但通過改變從孔到傳感器的距離，傳感器的接收范圍會(huì)發(fā)生變化，顯示的范圍也會(huì)發(fā)生變化。 您還可以從頂部查看模型，以便您可以看到光線照射范圍如何變化。

此外，您可以看到，孔的大小越大，照射到傳感器的光范圍就越大。

但是，如果將可以變更孔大小的結(jié)構(gòu)與剛才制作的相機(jī)組合起來的話，由于碰到傳感器的光子變少，所以圖像會(huì)變暗，如下所示。這可以通過提高圖像傳感器的靈敏度（ISO靈敏度）來使其變亮，但是圖像可能會(huì)產(chǎn)生噪音，圖像可能會(huì)產(chǎn)生模糊。

另一種方法是將傳感器放置在光線穿過焦點(diǎn)孔的點(diǎn)，以消除圖像模糊和暗淡問題，但為此，您需要正確控制孔。

在孔的部分放上玻璃，光線通過的話就會(huì)這樣折射。為了將光線集中在一個(gè)地方，需要將向上和向下折射兩種玻璃組合起來。

當(dāng)一些玻璃被組合時(shí)，光線會(huì)向一個(gè)位置折射。 玻璃數(shù)量越接近無窮大，精度就越高，但還不完美。通過創(chuàng)建形狀平滑的凸透鏡，光線現(xiàn)在集中在一個(gè)點(diǎn)上。從鏡頭的主點(diǎn)到焦點(diǎn)的距離是焦距。

焦距 （f） 取決于鏡頭的折射率 （n） 和鏡頭的形狀。 折射率和透鏡越小，焦距越長(zhǎng)，反之越大焦距越短。

接下來將鏡頭安裝到創(chuàng)建的模型中。在以后的模型中，可以在藍(lán)色條上滑塊更改焦距本身。

通過操作更改焦距和孔到傳感器距離的滑塊，可以確認(rèn)圖像是否對(duì)焦。本來是和針孔照被攝體靠近鏡頭時(shí)，焦點(diǎn)不符合傳感器，光線會(huì)擴(kuò)散成圓形，但這個(gè)圓被稱為“錯(cuò)亂圓”。實(shí)際上，傳感器的位置完全對(duì)準(zhǔn)焦點(diǎn)是不可能的，但是如果這個(gè)錯(cuò)亂圓的大小在某種程度上的話，在人類的眼里會(huì)被認(rèn)為是對(duì)焦的。相機(jī)一樣反轉(zhuǎn)顯示的，但是這次的情況是修正后顯示的。

即使焦距和孔到傳感器的距離可以更改，相機(jī)的位置也必須固定才能對(duì)焦，因此無論攝像機(jī)移動(dòng)到何處，都必須對(duì)焦。 但是，具有固定焦距的單焦鏡頭不能像生物體的“眼睛”改變不同地形狀，因此必須組合使用多個(gè)鏡頭。

當(dāng)主體靠近鏡頭時(shí)，焦點(diǎn)與傳感器不對(duì)齊，光線以圓形傳播，但此圓稱為“彌散圓（circle of confusion）”。 事實(shí)上，不可能完全聚焦傳感器的位置，但如果這個(gè)彌散的圓圈足夠大，它就會(huì)被人眼看到。

要調(diào)整彌散圓的大小，必須使圓錐形的角度變淺，稱為“光錐”，從鏡頭到焦點(diǎn)。 用于此目的的板稱為“光圈”， 通過調(diào)節(jié)安裝在孔上的大小，可以直接遮擋通過孔的光線。

光圈是實(shí)際相機(jī)中一些板的組合。

光圈的開口是多邊形的，所以照片上產(chǎn)生的模糊也經(jīng)常變成多邊形。

光圈的開口部的大小越小（光圈值越大），拍攝的圖像的更大范圍的焦點(diǎn)越清晰，有這個(gè)焦點(diǎn)的范圍稱為“景深”。

移動(dòng)以下黑色滑塊（光圈大?。?、藍(lán)色滑塊（焦距）和紅色滑塊（主體相對(duì)于相機(jī)的位置）欄時(shí)，可以看到 3D 模型中顯示的兩個(gè)藍(lán)點(diǎn)之間的景深會(huì)發(fā)生變化。 開口越小，焦距越長(zhǎng)，景深越寬，開口越大，焦距越短，景深越窄。 表示被攝體位置的紅點(diǎn)在景深范圍內(nèi)時(shí)，成為有焦點(diǎn)的圖像。

雖然這是用理論來討論攝影，但在現(xiàn)實(shí)中，當(dāng)主體轉(zhuǎn)換為圖像時(shí)，就會(huì)發(fā)生模糊和失真。 有不同類型的現(xiàn)象，特別是與單色光相關(guān)的五種現(xiàn)象，它們被歸類為賽德爾的五像差(Zaidel像差)。

切哈諾夫斯基最后總結(jié)道：“拍攝似乎只是按下智能手機(jī)或數(shù)碼相機(jī)上的快門按鈕，但實(shí)際上，由于精心引導(dǎo)的光線和精密設(shè)備，才能拍攝使現(xiàn)實(shí)?！?/p>