1、目 录第 5 章 摄影成像 .15.1 摄影成像过程及基本原理 .15.1.1 摄影成像过程 .15.1.2 摄影机成像原理 .15.1.3 感光片工作原理 .35.2 感光片的基本特性 .65.2.1 感光片的主要性质 .65.2.2 感色性和胶片分类 .105.2.3 分辨力和清晰度 .105.3 多波段摄影 .105.3.1 滤光镜 .115.3.2 分波段摄影 .125.3.3 彩色摄影 .125.3.4 假彩色摄影与影像获取 .151第 5 章 摄影成像5.1 摄影成像过程及基本原理5.1.1 摄影成像过程摄影成像的主要过程分为摄影、负片过程和正片过程，如图 5-1。1 摄影摄影是把
2、感光片装在摄影机内，将摄影机对准目标或者被摄物体，调节镜头与感光片和目标之间的距离，使感光片位于镜头的成像位置上(即以影像清晰为准)，然后打开快门进行曝光。其曝光时间的长短，取决于感光片的感光度和被摄目标亮度等因素。在曝光这一段时间内，被摄目标的反射光线通过物镜，形成光学影像，该光学影像投射在感光片的感光层上，感光物质受光后发生光化学效应，从而在感光片上构成人眼看不见的影像潜影。2 负片过程将曝光过的感光片，在暗室内进行显影、定影、水洗、晾干后，就可得到和目标黑白相反的影像，这种影像片称为负片或阴片，也常称为底片，这个过程称为负片过程。3 正片过程将像纸和负片接触印像(或用放大机印放)即通过药
3、面对药面进行曝光，再经过显影、定影、水洗、烘干，可得与负片黑白相反而与目标明暗相应的影像。具有这种影像的感光片为正片或阳片，通常称为像片。此过程即为正片过程。5.1.2 摄影机成像原理1 摄影机构成各式各样的摄影机的光学成像是靠摄影机镜头，通过光线的折射和会聚作用而形成，虽然其形式各异，但它们的基本构造和组成，以及成像原理大体是一样的，如图 5-2 所示。它主要由镜箱、光圈、摄影物镜和暗盒等部件组成，被摄目标反射的光线通过物镜(镜头)后，在成像面(胶片)上构成一个倒立的光学实像。快门是用来控制进入镜头光线的时间的，图 5-1 摄影成像流程2光圈是用来控制进入镜头的光线的多少的，镜箱是不透明的，
4、以防止不经物镜的光线从侧面进入摄影机内，暗盒部分是用来装感光片的。在整个摄影机中，镜头是最重要的部件，它是由一组复合透镜所组成的光学系统，其折射和会聚作用比较复杂，下面把它简化为单透镜成像原理来讨论。2 透镜的主要成像特性(1)成像原理透镜公式透镜一般用光学玻璃做成，是一个以两个球面为界限的透明体，可分为凸透镜和凹透镜两种。各式透镜的球面中心位置，球面曲率半径，以及原材料的折射率等，都是彼此不同的。因此，它们聚焦光线和发射光线的特性也是彼此不同的。如图 5-3 所示，透镜两球面中心叫主点( 、 )，通过两主点的光线叫主光轴，通过主点与主光轴垂直的平面称主面( 、 )，与主光轴平行的光线，经过镜
5、头折射汇聚在主光轴上一点，称焦点，焦点有前后两个( 、 )，通过焦点与主光轴垂直的平面称焦平面，主点到焦点的距离就是镜头的焦距(） 。根据光学原理，透镜具有下边几个特点：图 5-3 透镜成像原理）所有光线，通过透镜后都要发生折射，唯有通过透镜中心的光线不发生折射。）所有从物方来的平行于主光轴的光线，经透镜折射后交于透镜的后焦点 ；所有通过前焦点 的光线，经透镜折射后，均平行于主光轴；任何一组平行光线，经透镜折射后，必交于焦面的某一点。）任意一点(焦点除外)A 发出的光线，经过透镜折射后，交于 a，a 就是物点 A 的像，在图中物体到透镜中心的距离，称为物距，其构像到透镜中心的距离，称为像距，、
6、和三者之间的关系由相似三角形得：fDd （5-1）图 5-2 摄影机的构造s2abfdDBAP1 P2s13该式称为透镜公式，也叫光距公式，反映了透镜成像的基本原理。(2)物镜的相对孔径和透光率物镜的相对孔径，是其光孔直径与焦距之比，即。像点的亮度决定于物镜的透光力，透光力与其光孔直径的平方成正比，与其焦距的平方成反比，即物镜透光力： （ ） K (5-2)fd为透光系数，其值为由物镜射出的光线亮度进入物镜的光线亮度，它小于。透镜的焦距一般是固定的，所以透光力只能由调节光孔的大小来控制。大多数物镜的最大光孔直径是小于焦距的，假设相对孔径用 1来表示，则称为相对孔径的分母，其值表示物镜的焦距比它
7、的光孔直径大多少倍。因此，相对孔径的分母愈大则物镜的透光力愈弱。物镜最大孔径的大小，在一定程度上反映了物镜的光学特性，f/d 的数值愈小，即最大相对孔径愈大，物镜光学质量愈高。(3)物镜的分辨率分辨率也称分辨力或解像力，是物镜的重要特性之一，它说明物镜对被摄物体的表达能力。分辨力的大小，是按焦面上一毫米的宽度范围内，能够构成互相平行、间隔相等、彼此不连的线条数来表示的，单位为线毫米(Ro)。(4)透镜的构像误差按照几何光学原理，一个理想的透镜构像，应当是使物平面上的每个物点，通过透镜后，在像平面上都有一个相应的像点。要达到这点就必须要求透镜本身是一个不使光线弯曲的小孔。然而，一个单透镜构像时，
8、总是包括一束光线，而光线中各种色光的折射率不同。加上透镜中间部分和边缘部分的折射率不同，以及受光线入射角和透镜结构等因素的影响，就造成了不能按成像原则构像的缺点。主要表现为：光线通过透镜后不能会聚于同一焦点，致使构像变形，影像模糊，出现了构像误差。因此任何一个单独透镜都不能构成完全正确的光学影像。镜头通常都是由两个及其以上的透镜组合而成的，就是为了对单透镜的构像误差进行补偿，以改善构像质量。透镜构像误差主要包括球面像差、色像差、彗形像差，畸变差和像场弯曲等。景深：被摄物体在影像上清晰的范围叫景深，它与镜头特性即光圈大小、焦距长短、物距远近都有关系。一般而言，光圈越小、焦距越短、物距越大，景深越
9、大；光圈越大、焦距越长、物距越小，景深越小。5.1.3 感光片工作原理感光片是摄影成像的探测器件，负责目标物信息的接收、记录和输出，下面简单讨论其结构和成像原理。41 感光片的结构和基本成分感光片是由感光乳剂涂布于片基上而成的，其负片结构如图 5-4 所示，各层的主要特性与作用如下：(1)乳剂层乳剂层是感光片最主要的部分，为涂布于片基上的一层明胶薄膜，其主要成分是卤化银和明胶。此外，还含有增强乳剂感色性的染料和防止产生灰雾以及其它作用的一些药剂。不同感光片的乳剂层厚度不一，一般为 1025m，卤(溴)化银晶粒大小不等，在0.15m 之间，每平方厘米乳剂层内包含有 1.63.610 粒，感光乳剂
10、中卤化银以晶粒状态悬浮在明胶中，是感光剂，以溴化银为例，它的晶体结构为立方体。图 5-5 为 Ag和 Br-的排列情况，结构中心分布有缺陷、或由银、硫化银等所组成的微斑感光中心。这是形成潜影的条件。入射光从溴化银中把银原子分解出来，集中到缺陷或微斑上形成潜影。明胶是一种透明色动物蛋白，为卤化银的分布介质，本身不具感光性。主要起支持作用。明胶中含有的硫化物有助于形成感光中心，明胶有吸溴作用，在光化过程中起加速作用。它遇水膨胀，本身的许多小孔也随着扩大，在冲洗时药液便于自由进出乳剂层与AgBr 进行反应，干燥后立即复原，能保护影像质量。(2)片基片基是乳剂层的载体，常用材料有玻璃、硝酸纤维和醋酸纤
11、维及纸，分别称为硬片、软片和像纸。由于硝酸纤维着火点(燃点)很低，容易燃烧，特别是老化时，遇高气温和摩擦时能自燃，在使用和保管时应注意。现在此类片基已被淘汰，生产的软片都以三醋酸纤维素酯作片基，近年来研究试验用聚酯(涤纶)片基和聚碳酸酯作片基。其中聚酯片基具有强度大，柔和性好，吸水膨胀率小，尺寸稳定性好，耐寒性好等一系列优点。(3)中间层图 5-4 感光材料结构 图 5-5 AgBr 晶格5在任何情况下，乳剂层和片基之间必须要涂一层胶结物质，其主要作用是使乳剂层能牢固地粘合在片基上，作为像纸的中间层时，还起掩盖和防止纸浆中的有害物或树脂。像纸的中间层是硫酸钡，一般感光片的中间层是明胶。(4)保
12、护层为了保护乳剂层少受擦伤和刮痕，乳剂层上面要再涂上一层很薄的明胶层，其厚度约1m 左右。(5)防(反 )光晕层反光晕层是一层吸光物质，当乳剂层感光时，由于光在卤化银颗粒表面散射，使其周围的颗粒也感光，结果产生散射光晕现象。当光通过乳剂层进入片基后，被片基背面反射重新进入乳剂层，会使卤化银颗粒再感光，其结果是形成反射光晕。反光晕层一般涂的是染料，它只涂在硬片和软片上(其颜色应该是乳剂层所不能感受的光,这种染料层在定影时可被褪去)。像纸的片基是不透明的，因此不需要反光晕层。2 感光成像原理感光片成像主要利用光化效应，将电磁辐射转化成光学影像，其形成可分作两步阐述。(1)潜影的形成摄影曝光时，短波
13、电磁辐射到达感光片乳剂层，卤化银结晶体的负离子吸收光子(辐射能 h)，放出自由电子，形成中性卤原子，以 AgBr 为例，即有:Br hBrBrBrBr (5-3)卤素原子(Br)成对结合成分子而离开晶体格子，被明胶吸收。电子却不离开晶格，在晶体内自由移动，当其遇到晶体中的缺陷、微斑时就被吸附，形成带负电感光中心。于是这些感光中心就强烈地吸收周围的带正电的银离子，银离子吸收电子中和成银原子，即：Ag Ag 2AgBrhBr 2Ag (5-4)银原子吸附在感光中心上，当数量足够时形成潜影(不可见影像)，总过程见图 5-6。(2)可见影像的产生图 5-6 潜影的形成6潜影经过显影、定影等化学过程，才
14、能形成稳定的可见影像。显影 显影的实质就是利用适当的化学药品显影液，处理已经感光的底片，继续使卤化银还原成银，使潜影的银原子成几十亿倍的增加，逐渐变成可见的影像。显影作用的过程为一种还原反应，显影液在溶液中电离成正、负离子，负离子与银离子中和而使它还原成银原子，正离子与卤素离子结合成溶于水的氢卤酸，此时的显影剂变为氧化物而不再起还原作用，反应式可写成：Red Red Red Red Ag Ag OX （5-5）Red 为显影剂，OX 为显影剂的氧化物，常用的显影剂为米吐尔(metol)。经过显影，乳剂中已曝光的卤化银还原出 109个银原子，其黑色沉淀人眼可见；末曝光的卤化银还原出来的银原子极少
15、，对影像几乎没有什么影响。光子多的潜影银粒多，显影中银粒也多，黑色密度就大；反之密度就小，这样形成了密度不同的黑灰色影像。定影 定影就是利用定影液来清除卤化银的过程，目的是使显影的影像稳定下来，不致遭受破坏。定影液常用醋酸和硫代硫酸钠等。其化学反应式为：Na2S2O3+AgBrNaBr+NaAgS 2O3 (不溶)3NaAgS2O3+Na2S2O3Na 5Ag3（S 2O3） 4(可溶) （5-）NaBr 和 Na5Ag3（S 2O3） 4都能溶于水，因此反应后卤化银从乳剂层中被清除了。经过定影的感光胶片再经过水洗与干燥后就成为一张具有稳定影像的感光片了。用它可加工各种遥感资料。5.2 感光片
16、的基本特性5.2.1 感光片的主要性质1 感光特性曲线表示感光片获得的曝光量()和当其显影后形成的光学密度()之间函数关系的曲线，叫做感光片的特性曲线。摄影成像中影响遥感信息质量的除摄影机本身的精度外，主要是感光片的性能，而这些性能关系及其对负片的制约作用，集中反映在感光特性曲线上。特性曲线如图 5-7 所示，其横坐标表示曝光量的对数值，纵坐标表示密度，它是感光仪在标准光源下测定绘制的。(1)曝光量曝光量是感光胶片上所接受的照度(勒克斯)和曝光时间（秒)的乘积。，其单位为勒克斯秒，若用对数来表示，称为曝光量对数。LgH=lgE+lgt (5-7)(2)光学密度光学密度简称密度，它是感光片显影之
17、后由 Ag 原子形成的深浅不同的变黑程度，以阻光率的对数表示，即7Dlg (5-8)式中阻光率1/，是透射率 的倒数。三者的数值关系如表 5-1。表 5-1 透射率、阻光率与密度之间的关系透射率() 1 1/2 1/4 1/8 1/10 1/16 1/32 1/64 1/100 1/128 1/256 1/512 1/1000阻光率() 1 2 4 8 10 16 32 64 100 128 256 512 1000光学密度(D) 0 0.3 0.6 0.9 1.0 1.2 1.5 1.8 2.0 2.1 2.4 2.7 3.0(3)特性曲线的分段特性曲线由五部分组成，如图 5-7。灰雾部分
18、A0A 平行于横轴，此密度不经曝光就能产生，所以称灰雾度 D0。一般负片的 D00.10.2，正片 D00.1。灰雾度 D0主要是由于制造过程、保存期间或冲洗过程中暗室不完全而引起银盐的自发还原和片基对光的吸收所形成的。曝光不足部分 AB 也称趾部，这部分曝光量对数值的增加，所引起的密度的增加缓慢。摄影时如果曝光不足使景物的曝光量落在曲线的这一区间，则所得影像的黑白层次必然受到较大的不成比例的压缩，与原景物亮度的明暗对比将很不相适应，造成影像失真。图 5-7 感光片特性曲线lgHlgHb lgHcH8直线部分 BC 也称正常曝光部，这部分密度随着曝光量对数值的增加而呈线性增加，是曲线的主要部分
19、。摄影时，利用特性曲线的这一部分，可将原光学影像明暗层次按比例记录下来。曝光过度部分 CD 也称肩部，这时增加曝光量对数值，只能稍微增加密度。相当于这一部分的影像密度，在黑白层次上必遭受到很大的损失。反转部分 DE 这部分密度随着曝光量对数值的增加反而逐渐减少，影像密度不能反映景物亮度。2 感光特性(1)反差及反差系数反差 反差是指目标物的明亮部分和阴暗部分亮度的差别程度，黑白分明的，即明暗差别大的，称为反差大或反差强；反之，黑白区别不大的，称为反差小或反差弱。反差分以下几种：景物反差：景物中具有最大亮度部分的亮度 Lmax 与最小亮度部分的亮度 Lmin 的差值叫景物反差，为：LgL=lgL
20、max-lgLmin (5-9)光学影像反差：成像时由于镜头中透镜的散射、折射而形成眩光使反差降低。若用影像照度的对数差lg来表示光学影像的反差，则：lgElgL （5-10） 为眩光系数 。胶片或照片的影像反差：胶片或照片上最大密度max 和最小密度min 之差值称为影像反差，即:maxmin (5-11)反差系数 反差系数是指摄影后，影像的明暗程度与原景物明暗程度的比值，它用来度量感光材料对景物反差的表达能力，以特性曲线的直线部分的密度差与相应两点曝光量对数差的比值来表示，即： =tg (5-12)HDlg12lgl由此式可见，所谓反差系数就是特性曲线直线部分的斜率。根据(5-7)式和(5
21、-10)式，(5-12)式可写成：k * （5-13）Llg该式说明：反差系数的物理意义确实是影像反差和景物反差的比值，k 为 、的函数。在特性曲线上，当其直线倾角为 45时 ，景物不同亮度都能得到正确表达，影像层次清楚，称为中调感光材料。当 45时，即景物反差将被缩小，过小时，会产生黑白不分的模糊感和亮部分透明的情况，称为软调感光材料。9当 45时，表示的递增大于 LgH 的递增，影物反差将被夸大，虽然亮部层次好，但缺少中间色调的层次，称为硬调感光材料。(2)宽容度宽容度也称曝光宽度，是指胶片复现被摄景物亮度范围的能力。特性曲线中只有直线部分才能按比例以不同密度来表达景物的亮度范围，因此用直
22、线部分的最大曝光量与最小曝光量之差来表示宽容度。即：MLgHc-LgHb （5-14）由此可见，宽容度大的胶片能用来复现亮度范围较大的景物，摄影时，曝光时间许可的伸缩范围要大些，即曝光稍不准确，也能较真实地反映被摄景物的明暗程度差别。由上论述可知，宽容度和反差系数有很大关系:DCD BM （515）当胶片的最大密度一定时，反差系数大的胶片，宽容度小；反差系数小的，宽容度大。(3)感光度感光度即感光速度，是指胶片感受光快慢程度的指标，反映了胶片对光线作用的灵敏程度，它是确定曝光时间的重要依据。一般感光度越高，则摄影所需曝光量越少，曝光时间越短；反之，则需时间越长。由于各国的感光度测定系统不同，因
23、此感光度值也不同，各国感光度计量如表 5-2 所示。我国与德国对感光度的计量分级一样，度数间隔每差，感光度相差一倍，而美国和俄罗斯均为度数相差一倍，感光度相差一倍。表 5-2 各国感光度比较表中国 德国 美国 俄罗斯 中国 德国 美国 俄罗斯4 4 2 1.4 20 20 80 655 5 2.4 2.0 21 21 100 806 6 3.2 2.4 22 22 120 1007 7 4.0 3.0 23 23 160 1308 8 5.0 4.0 24 24 200 1609 9 6.0 5.0 25 25 250 20010 10 8 6 26 26 320 25011 11 10 8 27 27 400 32012 12 12 10 28 28 500 40013 13 16 12 29 29 640 50014 14 20 16 30 30 800 65015 15 24 20 31 31 1000 80016 16 32 24 32 32 1300 100017 17 40 32 33 33 1600 130018 18 50 40 34 34 2000 160019 19 64 50一般认为，感光度低的胶片，适合强光下和静物摄影；感光度高的胶片，适宜于弱光下或者运动物体的摄影。感光度低的胶片，灰雾和保藏性要稳定，银粒比高感光度的细，
