图像形成

图像形成的研究包含了三维物体的二维图像形成的辐射和几何过程。在数字图像的情况下，图像形成过程还包括模拟到数字的转换和采样。

成像过程是将物体映射到一个图像平面上。图像上的每个点都对应于物体上的一个点。被照亮的物体将向镜头散射光线，镜头将收集和聚焦光线以形成图像。图像的高度与物体的高度之比就是放大率。像面的空间范围和镜头的焦距决定了镜头的视场。镜子的图像形成这些有一个曲率中心，其镜子的焦距是曲率中心的一半。

一个物体可能被来自发射源的光照亮，如太阳、灯泡或发光二极管。入射到物体上的光以一种取决于物体表面特性的方式被反射。对于粗糙的表面，反射的光是以表面的双向反射分布函数（BRDF）的方式散射的。一个表面的BRDF是每平方米的射出功率（辐射度）与每平方米的入射功率（辐照度）的比率。BRDF通常随着角度的变化而变化，也可能随着波长的变化而变化，但一个特殊的重要情况是一个表面具有恒定的BRDF。这种表面类型被称为Lambertian，BRDF的大小是R/π，其中R是表面的反射率。散射光中向镜头传播的部分被成像镜头的入口瞳孔收集在视场内。

镜头的视场受到像面大小和镜头焦距的限制。图像上的位置和物体上的位置之间的关系是y=f*tan(θ)，其中y是像面的xxx范围，f是镜头的焦距，θ是视场。如果y是图像的xxx径向尺寸，那么θ就是镜头的视场。虽然镜头创造的图像是连续的，但它可以被建模为一组离散的场点，每个场点代表物体上的一个点。图像的质量受限于镜头中的像差和有限光圈档所产生的衍射。

镜头的光圈档是一个机械光圈，它限制了每个场点的光线收集。入场瞳孔是由镜头物体一侧的光学元件形成的光圈挡板的图像。被物体散射的光线被入口瞳孔收集，并通过一系列的折射元件聚焦到像面上。聚焦在像面的光线的锥度是由入口瞳孔的大小和镜头的焦距决定的。这通常被称为镜头的f档或f数。f/#=f/D其中D是入口瞳孔的直径。

在典型的数字成像系统中，一个传感器被放置在图像平面。光线被聚焦到传感器上，连续图像被像素化。入射到传感器中每个像素的光线将在像素内被整合，并产生一个成比例的电子信号。像素的角度几何分辨率由atan（p/f）给出，其中p是像素的间距。这也被称为像素的视场。传感器可以是单色的或彩色的。在单色传感器的情况下，入射到每个像素上的光线被整合，所产生的图像是一个类似灰度的图片。对于彩色图像，通常在像素上放置一个马赛克彩色滤光片，以创建一个彩色图像。一个例子是拜尔滤波器。然后，每个像素上的信号被数字化为一个比特流。

一个图像的质量取决于几何和物理项目。从几何学上讲，图像中像素的密度越高，块状的像素就越少，从而获得更好的几何图像质量。镜头像差也有助于提高图像的质量。从物理上讲，由于光圈挡板引起的衍射将限制可分辨的空间频率，作为f数的函数。在频域中，调制传递函数（MTF）是衡量成像系统质量的一个标准。MTF是对辐照度的正弦变化在图像平面上的可见度的测量，是正弦波频率的一个函数。它包括衍射、像差和像素化的影响。对于镜头来说，MTF是瞳孔函数的自相关，因此它考虑了有限的瞳孔范围和镜头的像差。传感器的MTF是像素几何形状的傅里叶变换。对于一个正方形的像素，MTF(ξ)=sin(πξp)/πξp，其中p是像素宽度，ξ是空间频率。