【计算机视觉（1）】图像形成基础篇：从光线到图像的完整过程

文章目录

- [📚 学习路线图](#📚 学习路线图)
- 本文内容一览（快速理解）
- 一、图像是什么：理解像素的本质
- - [1.1 图像是什么？：图像是2D矩形阵列的像素集合](#1.1 图像是什么？：图像是2D矩形阵列的像素集合)
  - [1.2 像素值的含义：像素值越大越亮，越小越暗](#1.2 像素值的含义：像素值越大越亮，越小越暗)
- 二、为什么需要小孔：解决光线混合问题
- - [2.1 为什么白纸上不会自动出现图像？：多个点的光线混合在一起](#2.1 为什么白纸上不会自动出现图像？：多个点的光线混合在一起)
  - [2.2 针孔相机的解决方案：用小孔限制光线路径](#2.2 针孔相机的解决方案：用小孔限制光线路径)
- 三、针孔相机的困境：孔径大小的矛盾
- - [3.1 孔径大小的影响：孔径太小进光不足，孔径太大图像模糊](#3.1 孔径大小的影响：孔径太小进光不足，孔径太大图像模糊)
- 四、镜头的解决方案：增加进光量
- - [4.1 镜头的解决方案：通过折射汇聚更多光线](#4.1 镜头的解决方案：通过折射汇聚更多光线)
  - [4.2 镜头的工作原理：多个针孔图像的叠加和对齐](#4.2 镜头的工作原理：多个针孔图像的叠加和对齐)
- 五、相机参数基础：四个关键参数
- - [5.1 焦距（Focal Length）：决定视角和放大倍数](#5.1 焦距（Focal Length）：决定视角和放大倍数)
  - [5.2 光圈（Aperture）：控制进光量和景深](#5.2 光圈（Aperture）：控制进光量和景深)
  - [5.3 快门速度（Shutter Speed）：控制曝光时间](#5.3 快门速度（Shutter Speed）：控制曝光时间)
  - [5.4 传感器ISO：控制传感器灵敏度](#5.4 传感器ISO：控制传感器灵敏度)
  - [5.5 参数平衡策略：四个参数相互关联](#5.5 参数平衡策略：四个参数相互关联)
- [📝 本章总结](#📝 本章总结)

📌 适合对象 ：计算机视觉初学者、图像处理入门者

⏱️ 预计阅读时间 ：30-40分钟

🎯 学习目标：理解图像的本质、掌握针孔相机原理、了解镜头的作用

📚 学习路线图

第一步
理解图像是什么
2D像素阵列第二步
理解为什么需要针孔相机
（重点）第三步
了解针孔相机的困境
孔径大小的矛盾第四步
理解镜头的解决方案
折射汇聚光线第五步
掌握相机参数基础
焦距、光圈、快门、ISO

本文内容一览（快速理解）

图像是什么？ 图像是2D像素阵列，每个像素记录一个亮度值，值越大越亮
为什么需要小孔？ 没有小孔时，多个点的光线会混合，无法形成清晰图像
针孔相机的困境 孔径太小→进光不足；孔径太大→图像模糊
镜头的解决方案 通过折射汇聚更多光线，增加进光量
相机参数基础 焦距、光圈、快门、ISO四个基本参数

一、图像是什么：理解像素的本质

这一章要建立的基础：理解数字图像是什么，像素是什么，这是理解后续所有内容的基础。

核心问题：当我们说"图像"时，到底指的是什么？

$!NOTE$
📝 关键点总结：数字图像是2D像素阵列，每个像素记录一个亮度值，像素值越大越亮，越小越暗。

1.1 图像是什么？：图像是2D矩形阵列的像素集合

图像的本质：

图像是2D矩形阵列的像素集合。每个像素（pixel）是图像的基本单元，就像拼图的每一块。

图解说明：
数字图像的2D矩阵表示第一行: 218 | 220 | 215 | ... 第二行: 210 | 208 | 212 | ... 第三行: 205 | 207 | 210 | ... ... | ... | ... | ...

💡 说明：每个数字代表一个像素的亮度值（0-255），值越大越亮

类比理解：想象你在测量一个房间的温度分布。数字图像就像你在房间中放置温度计网格，每个温度计记录一个位置的温度。图像中的每个像素就像温度计，记录一个位置的亮度。

1.2 像素值的含义：像素值越大越亮，越小越暗

像素值代表什么？

在灰度图像中：

更大的值 = 更亮：像素值越大，该位置越亮
更小的值 = 更暗：像素值越小，该位置越暗
最亮白色 = 255：完全白色的像素值为255
最暗黑色 = 0：完全黑色的像素值为0

图解说明：
0
纯黑色
最暗 64
深灰
较暗 128
中灰
中等 192
浅灰
较亮 255
纯白色
最亮

💡 亮度渐变：像素值从0到255，对应从纯黑到纯白的连续渐变

实际例子：

复制代码

一幅1920×1080的图像 = 2,073,600个像素
每个像素用8位（0-255）表示亮度
总存储量 = 2,073,600 × 8位 = 16.6MB（未压缩）

二、为什么需要小孔：解决光线混合问题

前面我们知道了：图像是2D像素阵列，每个像素记录一个亮度值。

但遇到了问题：如果没有限制，来自场景中多个点的光线会同时到达图像平面的同一点，光线混合在一起，无法形成清晰图像。

这一章要解决：如何让每个像素只接收来自场景中一个点的光线？

答案：用一个小孔限制光线路径。这就是针孔相机的核心原理。

$!NOTE$
📝 关键点总结：没有针孔时，场景中多个点的光线会混合在一起，无法形成清晰图像；针孔让每个像素只接收来自场景中一个点的光线，实现"一点对一点"的清晰成像。

2.1 为什么白纸上不会自动出现图像？：多个点的光线混合在一起

问题场景：

想象你在一个暗室中，墙上有一个小孔，外面有明亮的场景。你在暗室中放一张白纸，为什么纸上不会自动出现图像？

原因：光线混合了

图解说明：
🌳 A点（树） 📄 P点
混合光线 🏠 B点（房子） ☁️ C点（天空） ❌ 无法区分
无法形成清晰图像

💡 问题：多个场景点的光线同时到达图像平面的同一点，光线混合在一起，无法区分

类比理解：就像很多人同时对你说话，你听到的是混乱的声音，无法听清任何一个人的话。

2.2 针孔相机的解决方案：用小孔限制光线路径

核心思路：限制光线路径，让每个像素只接收来自一个点的光线。

图解说明：
光线1 光线2 光线3 只通过A的光线只通过B的光线只通过C的光线 🌳 A点 🔘 针孔 🏠 B点 ☁️ C点 📄 P1点
只有A点光线 📄 P2点
只有B点光线 📄 P3点
只有C点光线 ✅ 清晰图像
一点对一点

💡 解决方案：针孔限制光线路径，每个图像点只接收来自一个场景点的光线

针孔相机的工作原理：

针孔相机（pinhole camera）只允许来自场景中一个点 的光线到达图像平面上的一个点。

关键机制：

光线限制：小孔限制了光线的传播路径，只有特定方向的光线能通过
一一对应：场景中的每个点对应图像平面上的一个点
清晰成像：每个像素只记录来自一个方向的光线，形成清晰的图像

类比理解：就像在墙上开一个小洞，只有正对着洞的光线能通过，其他方向的光线被挡住了。

实际例子：

复制代码

场景中的树 → 通过针孔 → 在图像平面上形成倒立的树像
每个场景点 → 对应一个图像点 → 形成清晰图像

三、针孔相机的困境：孔径大小的矛盾

前面我们知道了：针孔相机通过限制光线路径实现清晰成像，每个像素只接收来自一个点的光线。

但遇到了问题：针孔相机只有一个可调参数（孔径大小），但这个参数存在根本矛盾------孔径太小进光不足，孔径太大图像模糊。

这一章要解决：理解针孔相机的局限性，为什么没有完美的孔径大小？

答案：孔径大小存在两难困境，无法同时满足清晰度和进光量的要求。这引出了镜头的必要性。

$!NOTE$
📝 关键点总结：针孔相机只有一个参数（孔径大小），但存在根本矛盾：孔径太小→进光不足；孔径太大→图像模糊；没有完美的孔径大小。

3.1 孔径大小的影响：孔径太小进光不足，孔径太大图像模糊

针孔相机的唯一参数：

针孔相机只有一个可调参数：孔径大小（aperture size），即针孔的大小。

孔径大小的影响：

（1）孔径非常小的情况

图解说明：
少量光线清晰光线优点缺点 🌍 场景 🔘 小孔径
进光量很少 📄 图像平面
图像清晰 ✅ 图像清晰
光线路径受限 ❌ 进光量不足
需要长时间曝光

优点：

图像更清晰（光线路径更受限）

缺点：

进光量不足：需要很长的曝光时间（只适用于静态场景）
需要高光强：场景必须非常明亮

（2）孔径太大的情况

图解说明：
大量光线混合光线优点缺点 🌍 场景 🔴 大孔径
进光量多 📄 图像平面
图像模糊 ✅ 进光量多
曝光时间短 ❌ 图像模糊
光线混合

问题：

图像模糊：来自场景中多个点的光线会混合在一起
失去了针孔相机"一点对一点"的优势

（3）没有完美的孔径

核心矛盾：

如果孔径大 → 图像模糊
如果孔径小 → 进光不足
没有中间值可以同时满足清晰度和进光量

类比理解：就像门的大小------门太小，人进不来；门太大，所有人都能进来，无法控制。没有完美的门大小。

实际应用：

复制代码

静态场景拍摄：
小孔径 + 长时间曝光 → 获得清晰图像
适用于：风景、建筑等静态场景

动态场景拍摄：
需要大孔径 → 更多进光量 → 快速曝光
但会牺牲清晰度 → 需要其他解决方案（如镜头）

四、镜头的解决方案：增加进光量

前面我们知道了：针孔相机虽然解决了清晰度问题，但进光量不足，而且孔径大小存在两难困境。

但遇到了问题：有没有办法在保持清晰度的同时增加进光量？

这一章要解决：如何用镜头解决进光量不足的问题？

答案：镜头通过折射汇聚更多光线，在保持清晰度的同时大幅增加进光量，但需要聚焦到特定距离。

$!NOTE$
📝 关键点总结：镜头通过折射汇聚更多光线，解决针孔相机进光不足的问题，但需要聚焦；镜头本质上是对多个针孔图像的叠加和对齐，但只能对一个距离完美对齐。

4.1 镜头的解决方案：通过折射汇聚更多光线

问题的提出：

针孔相机存在进光量不足的问题，有没有办法在保持清晰度的同时增加进光量？

解决方案：折射（Refraction）

镜头通过折射（refraction）来汇聚光线：

汇聚更多光线：镜头可以收集来自更大范围的光线
需要聚焦：但必须将镜头聚焦到特定距离

图解说明：
镜头相机针孔相机少量光线进光量少多方向光线汇聚光线
进光量大 🔍 镜头
折射汇聚 🌍 场景 📄 图像平面 🔘 小孔 🌍 场景 📄 图像平面

💡 对比：镜头通过折射汇聚来自不同方向的光线，在保持清晰度的同时大幅增加进光量

类比理解：就像用放大镜聚焦阳光------放大镜可以收集更大范围的阳光，然后汇聚到一个点，产生更强的光。

4.2 镜头的工作原理：多个针孔图像的叠加和对齐

本质理解：

镜头本质上是对多个针孔图像的叠加和对齐：

多个针孔：相当于有多个小孔同时工作
叠加对齐：通过折射将这些图像叠加并对齐
距离限制 ：对齐只对一个距离有效

图解说明：
光线1 光线2 光线3 汇聚到焦点关键限制 🌳 A点 🔍 镜头
折射汇聚 🏠 B点 ☁️ C点 📄 图像平面 ⚠️ 只能对一个距离
完美聚焦
其他距离会模糊

💡 工作原理：镜头将来自不同方向的光线汇聚到图像平面，但只能对一个距离完美聚焦

关键限制：

只能对一个距离完美聚焦：如果物体不在聚焦平面上，图像会模糊
景深问题：只有聚焦平面上的物体完全清晰，其他距离的物体会产生不同程度的模糊

实际应用示例：

复制代码

人像摄影：
聚焦到人物 → 人物清晰
背景不在聚焦平面 → 背景模糊（背景虚化效果）

风景摄影：
聚焦到远处 → 远处清晰
近处物体模糊 → 需要小光圈增加景深

五、相机参数基础：四个关键参数

前面我们知道了：镜头通过折射汇聚光线，增加进光量，但需要聚焦。

但遇到了问题：如何控制图像？有哪些参数可以调节？

这一章要解决：理解相机的四个关键参数及其作用。

答案：相机有四个关键参数：焦距（决定视角）、光圈（控制进光量和景深）、快门速度（曝光时间）、ISO（传感器灵敏度）。这些参数相互关联，需要根据拍摄需求平衡。

$!NOTE$
📝 关键点总结：相机有四个关键参数：焦距（决定视角）、光圈（控制进光量和景深）、快门速度（曝光时间）、ISO（传感器灵敏度）；这些参数相互关联，需要平衡。

5.1 焦距（Focal Length）：决定视角和放大倍数

定义：透镜的焦距，决定视角和放大倍数

作用：

焦距大 → 视角小 → 远摄效果（物体看起来更大）
焦距小 → 视角大 → 广角效果（视野更广）

图解说明：
焦距大（远摄镜头）焦距小（广角镜头）大视角视野很广小视角视野窄 🔍 长焦距 🌍 场景 📄 图像
物体看起来更大 🔍 短焦距 🌍 场景 📄 图像
能看到更多内容

💡 焦距对比：焦距小→视野广但物体小；焦距大→视野窄但物体大

类比理解：焦距就像望远镜的倍数------焦距大，看得远但视野窄；焦距小，视野广但看得近。

5.2 光圈（Aperture）：控制进光量和景深

定义：控制光线通过的孔径大小

表示：F-number（F数），如f/1.4、f/5.6、f/16

F-number = 焦距 / 孔径直径
F-number小 → 孔径大 → 进光多
F-number大 → 孔径小 → 进光少

作用：

控制进光量：光圈越大，进光越多
控制景深：光圈越小，景深越大（更多物体清晰）

图解说明：
小光圈（f/16）大光圈（f/1.4）大量光线只有聚焦平面清晰少量光线前后都清晰 🔘 小孔径
进光少 🌍 场景 📄 图像
大景深 🔴 大孔径
进光多 🌍 场景 📄 图像
背景虚化

💡 光圈对比：大光圈→进光多但景深小（背景虚化）；小光圈→进光少但景深大（前后都清晰）

实际效果：

小光圈（如f/16）：进光量少，景深大（更多物体清晰）
大光圈（如f/1.4）：进光量大，景深小（只有聚焦平面清晰，背景虚化）

5.3 快门速度（Shutter Speed）：控制曝光时间

定义：传感器接收光线的时间

作用：

时间长 → 进光多，但可能产生运动模糊
时间短 → 进光少，但可以冻结运动

图解说明：
快速快门（1/1000秒）慢速快门（1/30秒）长时间曝光运动模糊短时间曝光冻结运动 ⏱️ 短时间
进光少 🌍 场景
运动物体 📄 图像
可以冻结运动 ⏱️ 长时间
进光多 🌍 场景
运动物体 📄 图像
运动物体会模糊

💡 快门对比：慢速快门→进光多但可能运动模糊；快速快门→进光少但可以冻结运动

应用场景：

静态场景：可以使用较慢的快门速度
动态场景：需要使用较快的快门速度冻结运动

5.4 传感器ISO：控制传感器灵敏度

定义：传感器的灵敏度

作用：

ISO高 → 更敏感，在暗光下也能拍摄，但噪声更大
ISO低 → 噪声小，但需要更多光线

权衡：提高ISO可以在暗光下拍摄，但会牺牲图像质量。应尽可能使用低ISO以获得最佳图像质量。

5.5 参数平衡策略：四个参数相互关联

如何让暗室中的图像更亮？

可以通过以下方式增加进光量：

增大光圈（降低F-number）：让更多光线进入
降低快门速度（增加曝光时间）：让传感器接收光线更长时间
提高ISO：增加传感器灵敏度

参数权衡：

增大光圈 → 景深变小
降低快门 → 可能产生运动模糊
提高ISO → 噪声增加

实际应用示例：

复制代码

人像摄影：
大光圈（f/1.4） → 背景虚化 → 突出人物
快速快门 → 冻结人物动作
低ISO → 保持图像质量

风景摄影：
小光圈（f/16） → 大景深 → 前后都清晰
中等快门速度 → 平衡进光和运动模糊
低ISO → 最佳图像质量

暗光环境：
大光圈（f/1.4） → 最大进光量
慢速快门 → 增加曝光时间（需要三脚架）
适度提高ISO → 平衡亮度和噪声

📝 本章总结

核心要点回顾：

图像的本质：2D像素阵列，每个像素记录亮度值，值越大越亮
为什么需要针孔相机：没有针孔时，多个点的光线会混合，无法形成清晰图像；针孔让每个像素只接收来自一个点的光线
针孔相机的困境：孔径太小→进光不足；孔径太大→图像模糊；没有完美孔径
镜头的解决方案：通过折射汇聚更多光线，增加进光量，但需要聚焦
相机参数基础：焦距（视角）、光圈（进光+景深）、快门（曝光）、ISO（灵敏度）四个参数相互关联

知识地图：
🌍 光线从场景发出 ❓ 问题1：如何选择性接收？ ✅ 针孔相机
限制光线路径 ❓ 问题2：进光不足怎么办？ ✅ 镜头
汇聚光线 ❓ 问题3：如何控制图像质量？ ✅ 四个参数
焦距、光圈、快门、ISO

关键决策点：

需要清晰度 → 小孔径或聚焦
需要进光量 → 大光圈或长曝光
需要大景深 → 小光圈
需要背景虚化 → 大光圈