摄影成像

遥感原理与方法RS第5章摄影成像遥感原理与方法RS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。遥感原理与方法RS5.1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遥感原理与方法RS5.1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章摄影成像遥感原理与方法RS5.1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章摄影成像遥感原理与方法RS5.1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章摄影成像遥感原理与方法RS5.1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章摄影成像遥感原理与方法RSs2abfdDBAP1P2s15.1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章摄影成像遥感原理与方法RS5.1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章摄影成像遥感原理与方法RS5.1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章摄影成像遥感原理与方法RS5.1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章摄影成像遥感原理与方法RS5.1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章摄影成像遥感原理与方法RS5.1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章摄影成像遥感原理与方法RS5.1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章摄影成像遥感原理与方法RS5.1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章摄影成像遥感原理与方法RS5.1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章摄影成像遥感原理与方法RS5.1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章摄影成像遥感原理与方法RS5.1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章摄影成像遥感原理与方法RS5.1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章摄影成像遥感原理与方法RS5.1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章摄影成像遥感原理与方法RS5.1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章摄影成像遥感原理与方法RS5.1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章摄影成像遥感原理与方法RS5.1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＋ｅBr＋Br→Br２第5章摄影成像遥感原理与方法RS5.1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章摄影成像遥感原理与方法RS5.1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章摄影成像遥感原理与方法RS5.1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章摄影成像遥感原理与方法RS5.1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章摄影成像遥感原理与方法RS5.1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章摄影成像遥感原理与方法RS5.2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章摄影成像遥感原理与方法RS5.2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章摄影成像遥感原理与方法RS5.2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章摄影成像遥感原理与方法RS5.2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章摄影成像遥感原理与方法RSH第5章摄影成像遥感原理与方法RS5.2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章摄影成像遥感原理与方法RS5.2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章摄影成像遥感原理与方法RS5.2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章摄影成像遥感原理与方法RS5.2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章摄影成像遥感原理与方法RS5.2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章摄影成像遥感原理与方法RS5.2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