西北农林遥感原理与方法课件第5章 摄影成像

第5章

摄影成像

第5章摄影成像内容提要：

本章内容是该课程的核心之一，内容包括摄影成像过程及其原理，感光材料的基本特性，滤光镜与多波段摄影。讲授重点：

是感光成像原理，感光材料的主要性质，彩色影像形成的原理和方法，真彩色摄影与红外彩色摄影及其联系与区别，一般假彩色影像的形成。

5.1摄影成像过程及基本原理

①摄影成像过程摄影负片过程正片过程第5章摄影成像拍照（潜影）负片正片负片过程正片过程显影定影晾干水洗水洗印像定影烘干水洗水洗

5.1摄影成像过程及基本原理

①摄影成像过程——摄影

安装感光片——对准目标物——调节焦距

——确定曝光量（光圈大小、曝光时间）

——打开快门，进行曝光——潜影曝光的本质：目标物反射光线通过物镜，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。第5章摄影成像

5.1摄影成像过程及基本原理

①摄影成像过程——负片过程

曝光感光片——显影——定影——水洗——晾干——负片负片：影像与目标物黑白相反也称阴片

底片第5章摄影成像

5.1摄影成像过程及基本原理

①摄影成像过程——负片过程

负片＋像纸——曝光——显影——定影——水洗——烘干——正片正片：影像与目标物明暗相应也称阳片像片第5章摄影成像

5.1摄影成像过程及基本原理

②摄影机成像原理——摄影机构成

如图所示——镜箱、光圈、物镜、暗盒第5章摄影成像s2abfdDBAP1P2s1

5.1摄影成像过程及基本原理

②摄影机成像原理——透镜公式

第5章摄影成像

5.1摄影成像过程及基本原理

②摄影机成像原理——透镜公式１）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。２）平行于主光轴的光线，经透镜折射后交于透镜的后焦点Ｆ２；通过前焦点Ｆ１的光线，经透镜折射后，均平行于主光轴。第5章摄影成像

5.1摄影成像过程及基本原理

②摄影机成像原理——透镜公式３）任意点A发出的光线，经过透镜折射后交于a，a就是物点A的像。物距Ｄ、像距ｄ和焦距ｆ之间的关系：

１／f＝１／D＋１／d第5章摄影成像

5.1摄影成像过程及基本原理

②摄影机成像原理——相对孔径和透光力●相对孔径：光孔直径ｄ与焦距ｆ之比ｄ／ｆ●透光力D：透镜的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Ｄ＝Ｋ*ｄ２／ｆ２K－透光系数；f/d－相对孔径分母，表示物镜焦距是光孔直径的倍数，其值越大，透光能力越弱第5章摄影成像

5.1摄影成像过程及基本原理

②摄影机成像原理——物镜的分辨率●分辨率也称分辨力或解像力，它反映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，线／毫米(Ro)。第5章摄影成像

5.1摄影成像过程及基本原理

②摄影机成像原理——透镜的构像误差

由于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。即：物点光线通过透镜后不能会聚于同一点，致使构像变形，影像模糊，出现了构像误差。

透镜构像误差：球面像差、色像差、彗形像差、畸变差和像场弯曲等。第5章摄影成像

5.1摄影成像过程及基本原理

②摄影机成像原理——景深●景深：被摄物体在影像上清晰的范围叫景深●影响因素：透光孔径、焦距、物距

——光圈越小、焦距越短、物距越大，景深越大；光圈越大、焦距越长、物距越小，景深越小。第5章摄影成像

5.1摄影成像过程及基本原理

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，其地位和作用在摄影成像中最为重要。第5章摄影成像

5.1摄影成像过程及基本原理

③感光片工作原理——结构和成分

感光片是感光乳剂涂布于片基上而成，其负片结构如图第5章摄影成像

5.1摄影成像过程及基本原理

③感光片工作原理——结构和成分(1)乳剂层：涂布于片基上的一层明胶薄膜●成分：卤化银、明胶，增感剂和防灰雾剂●厚度：10～25μm，●卤化银：颗粒大小0.1～5μm，以晶粒状态悬浮在明胶中，结构为立方体晶体。入射光照射到卤化银晶体，把银原子分解出来，形成潜影。第5章摄影成像

5.1摄影成像过程及基本原理

③感光片工作原理——结构和成分(1)乳剂层：涂布于片基上的一层明胶薄膜●明胶：透明色动物蛋白，为卤化银的分布介质，本身不具感光性。●明胶的作用：主要是支持作用；有助于形成感光中心；有吸溴作用，在光化过程中起加速作用；保护影像质量。第5章摄影成像

5.1摄影成像过程及基本原理

③感光片工作原理——结构和成分(2)片基：乳剂层的载体，常用材料有玻璃、硝酸纤维、醋酸纤维和纸，分别称为硬片、软片和像纸。硝酸纤维燃点很低，容易燃烧，此类片基已被淘汰；现在的软片都以三醋酸纤维素酯作片基，近年来用聚酯(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。第5章摄影成像

5.1摄影成像过程及基本原理

③感光片工作原理——结构和成分(3)中间层：乳剂层和片基之间的一层胶结物质，作用是使乳剂层能牢固地粘合在片基上。像纸的中间层，还起掩盖和防止纸浆中的有害物或树脂。感光胶片的中间层是明胶，像纸的中间层是硫酸钡。第5章摄影成像

5.1摄影成像过程及基本原理

③感光片工作原理——结构和成分(4)保护层：乳剂层上面再涂的薄明胶层，作用是保护乳剂层少受擦伤和刮刻，厚度约1μm。(5)防(反)光晕层：感光片底部的薄层吸光物质，作用是吸收从片基背面反射重新进入乳剂层的光线。第5章摄影成像

5.1摄影成像过程及基本原理

③感光片工作原理——感光成像原理

感光片成像主要利用光化效应，将电磁辐射能转化成化学能，以光学影像的形式显示出来。●潜影的形成●可见影像的形成第5章摄影成像

5.1摄影成像过程及基本原理

③感光片工作原理——感光成像原理(1)潜影的形成摄影曝光时，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hν)，放出自由电子，形成中性卤原子，卤原子成对结合成分子。以AgBr为例，即有:Br－＋hν→Br＋ｅ

Br＋Br→Br２第5章摄影成像

5.1摄影成像过程及基本原理

③感光片工作原理——感光成像原理(1)潜影的形成卤分子离开晶体格子，被明胶吸收。电子不离开晶格，形成带负电感光中心，强烈吸收周围带正电的银离子，银离子吸收电子成银原子

Ag＋＋ｅ＝Ag2AgBr＋hν＝Br２＋2Ag

银原子吸附在感光中心上，形成潜影。第5章摄影成像

5.1摄影成像过程及基本原理

③感光片工作原理——感光成像原理(2)可见影像的产生

潜影经过显影、定影等化学过程，形成稳定的可见影像。●显影利用适当的化学药品—显影液，处理已经感光的底片，使卤化银还原成银，潜影的银原子成几十亿倍的增加，逐渐变成可见的影像。第5章摄影成像

5.1摄影成像过程及基本原理

③感光片工作原理——感光成像原理(2)可见影像的产生——显影●显影的本质：显影的本质是还原反应，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，显影剂变为氧化物而不再起还原作用，反应式写成：

Red＝Red＋＋Red－

Red－＋Ag＋

→Ag＋OX第5章摄影成像

5.1摄影成像过程及基本原理

③感光片工作原理——感光成像原理(2)可见影像的产生——显影经过显影，乳剂层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，对影像没有影响。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。第5章摄影成像

5.1摄影成像过程及基本原理

③感光片工作原理——感光成像原理(2)可见影像的产生——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，免遭破坏。定影液常用醋酸和硫代硫酸钠，反应式：

Na2S2O3+AgBr→NaBr+NaAgS2O3(不溶)3NaAgS2O3+Na2S2O3→Na5[Ag3(S2O3)4](可溶)

NaBr和Na5[Ag3（S2O3）4]都能溶于水，因此，未反应的卤化银从乳剂层中被清除了。第5章摄影成像

5.2感光片的基本特性

①感光片的主要性质——感光特性曲线

表示感光片获得的曝光量(Ｈ)和当其显影后形成的光学密度(Ｄ)之间函数关系的曲线，叫做感光片的特性曲线。摄影成像中影响影像质量的除摄影机的精度外，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。第5章摄影成像

5.2感光片的基本特性

①感光片的主要性质——感光特性曲线●曝光量(Ｈ)：曝光量是感光胶片上所接受的照度Ｅ(勒克斯)和曝光时间ｔ（秒)的乘积，Ｈ＝Ｅ×ｔ。若用对数来表示，称为曝光量对数。

LgH=lgE+lgt第5章摄影成像

5.2感光片的基本特性

①感光片的主要性质——感光特性曲线●光学密度Ｄ：光学密度简称密度，是感光片显影之后由Ag原子形成的深浅不同的变黑程度，以阻光率Ｏ的对数表示，即

D＝lgＯ式中阻光率Ｏ＝1/τ，是透射率τ的倒数。第5章摄影成像

5.2感光片的基本特性

①感光片的主要性质——感光特性曲线●特性曲线的分段（由五部分组成）：灰雾部分A0A

曝光不足部分AB

直线部分BC

曝光过度部分CD

反转部分DE第5章摄影成像

H第5章摄影成像

5.2感光片的基本特性

①感光片的主要性质——感光特性●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。分为：景物反差：景物中最大亮度Lmax与最小亮度Lmin的差值叫景物反差。

△LgL=lgLmax-lgLmin

第5章摄影成像

5.2感光片的基本特性

①感光片的主要性质——感光特性光学影像反差：用影像照度的对数差△lgＥ来表示光学影像的反差，则：

△lgE＝β△lgL

（眩光系数β＜１）胶片（照片）影像反差：胶片或照片上最大密度Ｄmax和最小密度Ｄmin之差值称为影像反差，

△Ｄ＝Ｄmax－Ｄmin第5章摄影成像

5.2感光片的基本特性

①感光片的主要性质——感光特性●反差系数γ：摄影后，影像的明暗程度与原景物明暗程度的比值叫反差系数，用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

γ＝△Ｄ/△LgH=tgα

＝k*△Ｄ/△LgL第5章摄影成像

5.2感光片的基本特性

①感光片的主要性质——感光特性●反差系数γ中调感光材料：γ＝１，景物不同亮度都能得到正确表达，影像层次清楚。软调感光材料：γ＜１，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。硬调感光材料：γ＞１，影物反差将被夸大，亮部层次好，但缺少中间色调的层次。第5章摄影成像

5.2感光片的基本特性

①感光片的主要性质——感光特性●宽容度Ｍ宽容度也称曝光宽度，是指感光片复现被摄景物亮度范围的能力。用特性曲线中直线部分的最大曝光量与最小曝光量之差来表示宽容度Ｍ。

M＝LgHc-LgHb

宽容度和反差系数有很大关系:DC－DB＝γM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。

第5章摄影成像

5.2感光片的基本特性

①感光片的主要性质——感光特性●感光度Ｓ：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。我国与德国对感光度的计量分级一样，度数间隔每差３°，感光度相差一倍。第5章摄影成像

5.2感光片的基本特性

①感光片的主要性质——像纸感光特性

像纸与胶片一样，也具有感光特性。二者的差别在于像纸的感光度并不重要，重要的是构像的密度范围；胶片上允许有相当大的灰雾，而像纸不允许灰雾存在；负片的影像密度很少落到曝光过度部分，像纸却常常要使用曝光过度部分。

第5章摄影成像

5.2感光片的基本特性

②感色性和胶片的分类●感色性：感光乳胶片对色光的感受能力，它表明胶片能感受哪些波长的色光，及其响应的强弱程度。单纯的卤化银乳剂只对近紫外和可见光中的蓝、紫光敏感，要获得较长波段的感光范围，必须对普通乳剂进行增感，以提高感色性，扩大感色范围，丰富信息量。第5章摄影成像

5.2感光片的基本特性

②感色性和胶片的分类●增感：就是增强乳剂对光线的感受能力，分为两种方式：一是使乳剂层中卤化银对它原来的吸收光谱的感受能力增强——化学增感；另一种是使乳剂层对光谱的感光范围扩大——光学增感。光学增感的方法很多，是在感光乳剂中加入有机染料——光学增感剂。第5章摄影成像

5.2感光片的基本特性

②感色性和胶片的分类●胶片分类：根据感色性，把胶片分为

盲色片—不加任何光学增感剂，感色范围在0.5μｍ以下，是卤化银乳剂本身的感光能力，胶片特点：黑白反差大，适用于翻拍文件，印制黑白幻灯片等。

正色片—也叫分色片，乳剂中加正色增感剂，感色范围可扩到0.6μｍ，但0.5～0.52μｍ处增感值略有降低。第5章摄影成像

5.2感光片的基本特性

②感色性和胶片的分类●胶片分类：根据感色性，把胶片分为

盲全色片—乳剂中加全色增感剂，感色范围为整个可见光波段，在0.5～0.55μｍ绿色部分感光度稍有降低。红外片—乳剂中加红外增感剂，感色范围扩展到近红外，目前以1.40μｍ为界，对可见光中绿、黄和部分红光不感光。彩色片—对此后面专门介绍。第5章摄影成像

5.2感光片的基本特性

③分辨力和清晰度●分辨力：表示胶片能够分辨地物细部能力的指标，用单位距离能分辨的间隔相等的平行细线数目来表示，条／mm或线对／mm。影响胶片分辨力的主要因素是卤化银颗粒的大小，其它有景物反差、曝光时间、显影条件。第5章摄影成像

5.3多波段遥感●多波段遥感：把地面辐射范围较宽的连续的电磁波谱，分割成若干个较窄的波谱段，以多光波段摄影或多通道扫描的方式，在同一时间获得同一目标不同波段信息的遥感技术。●多波段遥感原理：物体由于其内部组成和表面特性的不同，一般不会有相同的光谱特性，总存在辐射差值比较明显的波段。我们可以在特定的波段上，对目标物进行识别和探测。多波段遥感中最重要的是最佳波段的选择。第5章摄影成像

5.3多波段遥感

①滤光镜●概念：滤光镜是戴在镜头上的一种玻璃镜，有滤色镜、偏振镜、灰色镜、变密镜等。其作用为消除散射影响，进行分波段摄影、偏振摄影等。第5章摄影成像

5.3多波段遥感

①滤光镜——滤色镜●滤色镜：具有选择吸收光谱，能改变透射光线光谱成份的滤光镜。其最基本的性能就是光谱透射特性，包括透过光的波长和透射量，其中透射量常以光学密度来衡量：

D=lgＯ=－lgτ滤色镜根据其光谱透射特性，可分为：

单色滤色镜、选择滤色镜、减色滤色镜、补偿滤色镜。第5章摄影成像

5.3多波段遥感

①滤光镜——偏振镜●定义：偏振镜由两块玻璃中间夹一层含有硫酸奎宁晶体的胶膜所组成，胶膜内的晶体规则地平行排列，从而对入射光起偏振作用。●作用：偏振镜能消除地物镜面反射所产生的闪烁光，用偏振镜成像得到偏振影像，这种偏振现象在微波波段中称为“极化”。第5章摄影成像

5.3多波段遥感

①滤光镜——偏振镜●灰色镜：灰色镜对色光具有非选择吸收的性质，只能减弱透过光的光量，并不改变其光谱成分的滤光镜。●变密镜：是一种密度不均匀的滤光镜。第5章摄影成像

5.3多波段遥感

②分波段摄影

分波段摄影是用多波段摄影机或多镜头摄影机利用多种感光片配合各种滤色镜进行摄影来记录影像，获得各个波段的分色黑白影像。第5章摄影成像

5.3多波段遥感

②分波段摄影——例如国产四波段摄影机，可以在五个波段中任选四个：

●紫外波段片：用熔凝石英加氟化钙制成镜头，0.32～0.40μｍ的滤色镜；●蓝色波段片：0.40－0.50μｍ滤色镜；●绿色波段片：0.50－0.60μｍ滤色镜；●红色波段片：0.60－0.70μｍ滤色镜；●红外波段片：0.70－1.00μｍ滤色镜，在红外黑白片上成像。第5章摄影成像

5.3多波段遥感

③彩色摄影第5章摄影成像●彩色影像获得的基本原理彩色影像是根据色觉三原色原理，经过色光的分解和合成得到的。所谓分解就是将物体的颜色，用不同比例的红、绿、蓝三原色光，按其强弱分别记录在胶片上；合成就是通过加色法或减色法将分解的色光合成，从而重新得到物体的彩色影像。

5.3多波段遥感

③彩色摄影——彩色影像获得的基本原理第5章摄影成像●加色法合成彩色用红、绿、蓝三个滤色镜，将彩色物体分别拍摄成三张分色黑白负片，并印制成三张透明正片，把三张正片装在三个放映机中，在每个放映机镜头前面加上拍摄该负片时所用的滤色镜，调整放映在银幕上的三个影像，使它们重合在一起，这时银幕上就产生了三原色光按比例的组合，再现出被摄物体的彩色。

5.3多波段遥感

③彩色摄影——彩色影像获得的基本原理第5章摄影成像●减色法合成彩色减色法利用白光与原色光的三个补色光黄、品红、青的相减来分别控制原色光，最后经过原色光的相加混合，获得物体的彩色影像。其过程为：将分解得到的三张分色负片，制作成拍摄该负片所用滤色镜的补色正片，将三张补色正片重合，就成为一张彩色像片。现在使用的彩色胶片，就是利用这个原理制成的。

5.3多波段遥感

③彩色摄影第5章摄影成像●彩色感光材料的特性——结构彩色感光片的结构层次与黑白胶片类似。乳剂层为三层涂着不同感光性能的乳剂膜层，每一层都由感光乳剂和成色剂组成：上层感蓝层—含黄色成色剂和盲色乳剂；中层感绿层—含品红色成色剂和正色乳剂；下层感红层—含青色成色剂和全色乳剂。在上层与中层之间加一层黄色滤光层，防止蓝光通过。

5.3多波段遥感

③彩色摄影第5章摄影成像●彩色感光材料的特性——成色原理

摄影：光通过镜头到达彩色感光片，发生光化效应，形成景物的潜影；

显影：利用彩色显影剂把已感光的银盐还原成金属银，同时生成的氧化物使这些银盐周围的成色剂转变成染料；

漂洗定影：用化学方法清除还原的金属银和未还原的银盐，仅留下由染料构成的彩色影像。

5.3多波段遥感

③彩色摄影第5章摄影成像●彩色感光材料的特性——成色原理已感光银盐＋彩色显影剂

→金属银(银影)＋彩色显影剂氧化物彩色显影剂氧化物＋成色剂

→染料(彩色影像)

5.3多波段遥感

③彩色摄影第5章摄影成像●光源的色温与某光源有相同光谱成分的黑体之温度称该光源的色温，色温的实质是光源的光谱成分，即光源中各种波长光的比例。根据黑体辐射原理，如果光谱成分中短波光所占比例大，色温高，反之，色温低。色温与实际温度无关。

5.3多波段遥感

③彩色摄影——彩色胶片的色彩形成过程第5章摄影成像●负片和正片彩色再现过程胶片经曝光后形成潜影；经过彩色显影、漂洗、定影、水洗、晾干得到负片。负片的颜色与原景物颜色成互补色。将负片对彩色胶片或像纸曝光，经过和负片相同的显影、漂白、定影、水洗、干燥等过程，得到彩色正片或像片，正片的影像颜色是负片的补色—即物体原色。

5.3多波段遥感

③彩色摄影——彩色胶片的色彩形成过程第5章摄影成像●负片和正片彩色再现过程彩色曝光，形成潜影；彩色显影，漂洗，定影，水洗，晾干，得到负片。负片的颜色与原景物颜色成互补色。将负片对彩色胶片或像纸曝光，经过和负片相同的显影、漂洗、定影、水洗、干燥等过程，得到彩色正片或像片，正片的影像颜色是负片的补色—即物体原色。

5.3多波段遥感

③彩色摄影——彩色胶片的色彩形成过程第5章摄影成像彩色曝光原景物中蓝色光使感蓝层感光，绿色光使感绿层感光，红色光使感红层感光，结果在各感色层上形成相应的潜影。彩色显影使感光的银盐还原成金属银，成色剂转化成彩色染料，结果使感光片呈现出黑白的金属银影像和彩色染料影像。漂白把还原的金属银变成可溶性银盐，使黑色的金属银消失，留下染料的彩色影像。同时，把感光层中的黄色滤色层去掉。

5.3多波段遥感

③彩色摄影——彩色胶片的色彩形成过程第5章摄影成像定影把所有未感光的银盐和经过漂白形成的可溶性银盐统统溶解掉。水洗彻底清除残留在影像药膜中的化学药品，杜绝后患，以利底片长期保存。稳定防止影像褪色、坚膜。干燥对胶片悬挂在空气洁净、通风良好的地方晾干；像片用高温烤干。

5.3多波段遥感

③彩色摄影——彩色胶片的色彩形成过程第5章摄影成像●反转片彩色再现过程该胶片经摄影，曝光后形成潜影，对其先进行黑白显影；然后进行第二次曝光；再进行彩色显影。凡是第一次显影还原成银粒的地方，都不产生色彩，而第二次曝光及彩色显影的地方，既有银粒，也有色彩。色彩的深浅，取决于第一次显影后所余卤化银的多少，再经过漂白、定影、水洗、干燥后就得到与原景物颜色相似的影像。

5.3多波段遥感

④假彩色摄影与影像获取第5章摄影成像

得到的影像彩色与原景物彩色不同的摄影，称为假彩色摄影，这样的影像叫假彩色影像。假彩色影像产生的原因主要是彩色分解和合成过程中使用的滤色镜不配套，或者是胶片感光层中感光性与成色剂不是互补关系所致。