Изучение формирования изображения охватывает радиометрические и геометрические процессы, посредством которых формируются двумерные изображения трехмерных объектов. В случае цифровых изображений процесс формирования изображения также включает аналого-цифровое преобразование и дискретизацию .
Процесс формирования изображения представляет собой сопоставление объекта с плоскостью изображения. Каждая точка на изображении соответствует точке на объекте. Освещенный объект будет рассеивать свет по направлению к линзе, а линза будет собирать и фокусировать свет для создания изображения. Отношение высоты изображения к высоте предмета и есть увеличение. Пространственная протяженность поверхности изображения и фокусное расстояние объектива определяют поле зрения объектива. Формирование изображения зеркала имеет центр кривизны, а его фокусное расстояние зеркала составляет половину центра кривизны.
Объект может быть освещен светом излучающего источника, такого как солнце, лампочка или светоизлучающий диод. Свет, падающий на объект, отражается способом, зависящим от свойств поверхности объекта. На шероховатых поверхностях отраженный свет рассеивается способом, описанным двунаправленной функцией распределения отражательной способности ( BRDF ) поверхности. BRDF поверхности представляет собой отношение излучаемой мощности на квадратный метр на стерадиан ( излучение ) к падающей мощности на квадратный метр ( излучение ). [1] BRDF обычно меняется в зависимости от угла и может меняться в зависимости от длины волны, но особенно важным случаем является поверхность, которая имеет постоянную BRDF. Этот тип поверхности называетсяЛамбертиан , а величина BRDF равна R/π, где R — коэффициент отражения поверхности. Часть рассеянного света, которая распространяется к линзе, собирается входным зрачком формирующей изображение линзы по всему полю зрения.
Поле зрения объектива ограничено размером плоскости изображения и фокусным расстоянием объектива. Связь между положением на изображении и положением на объекте такова: y = f*tan(θ), где y — максимальная протяженность плоскости изображения, f — фокусное расстояние объектива, а θ — поле зрения. . Если y — максимальный радиальный размер изображения, то θ — поле зрения объектива. Хотя изображение, создаваемое линзой, является непрерывным, его можно смоделировать как набор дискретных точек поля, каждая из которых представляет точку на объекте. Качество изображения ограничено аберрациями объектива и дифракцией, создаваемой диафрагмой с конечной апертурой.
Апертурная диафрагма объектива представляет собой механическую апертуру, которая ограничивает сбор света для каждой точки поля зрения. Входной зрачок — это изображение апертурной диафрагмы, создаваемое оптическими элементами на предметной стороне линзы. Свет, рассеянный объектом, собирается входным зрачком и фокусируется на плоскости изображения с помощью ряда преломляющих элементов. Конус сфокусированного света в плоскости изображения задается размером входного зрачка и фокусным расстоянием линзы. Это часто называют диафрагмой или числом диафрагмы объектива. f/# = f/D, где D — диаметр входного зрачка.
В типичных цифровых системах обработки изображений датчик размещается в плоскости изображения. Свет фокусируется на датчике, а непрерывное изображение пикселируется. Свет, падающий на каждый пиксель в датчике, будет интегрироваться внутри пикселя, и будет генерироваться пропорциональный электронный сигнал. [2] Угловое геометрическое разрешение пикселя определяется выражением atan(p/f), где p — шаг пикселя. Это также называется полем зрения пикселя. Датчик может быть монохромным или цветным. В случае монохромного датчика свет, падающий на каждый пиксель, интегрируется, и результирующее изображение представляет собой изображение в градациях серого. Для цветных изображений цветной мозаичный фильтр обычно помещается поверх пикселей для создания цветного изображения. Пример - фильтр Байера.. Сигнал, падающий на каждый пиксель, затем оцифровывается в битовый поток.