摄影测量与计算机视觉--系列2 相机发展史
2016-06-17
摄影测量与计算机视觉
（2）相机的发展史
1. 胶片相机
在李连杰主演的《黄飞鸿》系列里，十三姨提着一个笨重的、黑箱子一样照相机，放在一人高的三脚架上进行拍摄。然而这可能是19世纪最先进的照相机了。
图1 19世纪的照相机
图1中的相机像一个暗箱，事实上，画家发明的暗箱就是相机之前身。文艺复兴时期的画家们借助小孔成像绘画时，发现成像暗淡。数学家卡尔达诺（Cardano，1501-1576）注意到（此君与另外一个数学家塔塔利亚，关于一元三次代数方程解的优先权之争，甚至可以写成一本书），如果将暗箱的小孔换成凸透镜，成像更明亮——透镜汇聚了更大角度的光。后来，巴尔巴罗又发明光圈。清晰成像的问题暂告解决。至今，透镜组和光圈依然是现代相机的标准配件。万事具备，只欠东风；将像永久记录下来成了最后障碍。跨过这道坎的依然是画家（哦，画家！感谢你们）。
1839年，法国画家达盖尔（Daguerre，1787-1851）发明了世界上第一台真正的照相机。在此之前，博学的德国教授舒尔兹（Schulze，1687-1774）发现银的混合物在日光下会变黑（许多德国人因此认为舒尔兹才是照相术的发明人）。达盖尔对舒尔兹的发现进行了改进，他采用碘化银作为感光材料，并配备完整的显影和定影过程。达盖尔摄影法完全可以DIY：（1）制作感光材料。准备一个铜质金属板，表面镀银，再喷碘蒸汽（碘在常温下极易升华）。碘和银发生化学反应，生成不稳定的碘化银。（2）成像。拉来你的模特（文静型的请优先考虑！），打开暗箱镜头盖，对着一动不动的TA曝光20分钟。碘化银在强光下重新分解为碘和银；弱光处保持不变。（3）显影。取出铜板，在暗室中喷汞蒸气（汞的沸点是356度，但在75度就好了，它同样挥发很快）。汞与银发生化学反应，生成亮亮的汞化银；碘化银不发生反应。（4）定影。用氯化钠冲洗，食盐和碘化银发生反应并溶于水，显出黑黑的铜板底；汞化银不发生反应。好了，大功告成！如果不出意外，得到的像片效果如图2。和现在的主流相机相比，是不是有独特的味道？
图2 达尔盖的银版摄影
达盖尔摄影法虽然有很好的光泽和艺术效果，但都是正片，无法复制，铜板也必须隔空保存。此后，胶片相机进一步发展，从黑白到彩色，从正片到负片、反转片。但原理依然是借助银颗粒的化学特性，操作依然是暗室下的定影与显影。不过，现代的胶卷（以及配套的冲洗）还是比十九世纪复杂多了。以彩色胶片为例。或许您认为，和人眼一样，找到一种感光材质，分别对红、绿、蓝敏感，不就得到彩色了吗。不幸的是，目前我们没有发现这种物质；卤化银（黑白的），依然是这颗星球上最好的感光材料。制作彩色胶片的原理如下：（1）在片基（片基相当于达尔盖的铜板底，现在主要是由乙酸纤维素酯制成，透明而具有弹性，可以卷成胶卷）上涂三层卤化银，称为感蓝层、感绿层和感红层。（2）分别在三层中均匀混入发色涂剂，称为成色剂。（3）曝光，卤化银晶体结构发生变化并聚结，形成潜影。显影，这些结构变化的结晶体被还原成黑色银颗粒的聚结体。同时，成色剂精确地按照卤化银转变为金属银的比例，等比转变为彩色染料，故也叫染料偶合体。（4）漂白，使银颗粒溶解；定影，将所有银洗掉，最后得到彩色像片。（流程大致如此。事实上，三层所用的发色剂为补色涂剂。黄对应感蓝涂层，品红对应感绿，青对应感红。这也导致为何有彩色负片和彩色反转片的说法。有兴趣的朋友可以自己去查阅材料。）
2. 数码相机
可以说，是人们对化学（原子和分子层面）的不断认识，成就了不断发展的胶片摄影术；并在90年代末，达到最高峰。然而，所谓盛极而衰，亢龙有悔，随着科技的进步，量子层面上出现的强大对手，将最终压垮胶片摄影，附带着生产胶片的商业帝国。
距离达盖尔发明照相机仅过了短短半个世纪。1887年，物理学家赫兹（Hertz，1857-1894）发现电子可以捕获光。现在我们知道，这就是光电效应。然而，当时量子力学尚未问世。1900年，为解决连续的能量带来无穷大的疑难，满心疑惑的普朗克（Planck，1858-1947）提出能量量子化假说：E = hv，但一直试图否证它。到了1905年，坚定的天才爱因斯坦（Einstein，1879-1955）闪亮登场。他利用量子化假说成功诠释了光电效应。很多人由于爱因斯坦未因相对论获得诺贝尔奖而耿耿于怀。依在下愚见，光电效应自然也是诺奖级成就中的上上之作。现代的科技大厦离不开光电效应。你面前的电脑屏幕、智能手机，数码相机…，无一不是它的产物，阁下您被包围啦。
（至于爱因斯坦的狭义相对论未获得诺贝尔奖，据信是这样的典故。二十世纪初是哲学家的天下。和当时如日中天的柏格森（Bergson，1859-1941）相比，爱因斯坦只能算是月光下烛火。在一次关于时间的辩论中，帕格森用了30分钟阐述他对时间哲学意义的思考。年轻的爱因斯坦只回应了一句：“除了物理学家的时间，只有心理时间，哲学家的时间并不存在。”在那个时代号称最伟大的思想家面前如此决绝是需要勇气的。当然，爱因斯坦从不缺乏勇气。在更年轻的时候，他已经在博士论文中攻击权威了！结果我们都知道了。几个月后爱因斯坦还是得到了诺贝尔奖，不过是以光电效应的名义。不过他又反击了一次：领奖致辞只有相对论，而对光电效应避而不谈。100年后的今天，时过境迁。引用霍金的话来说：“哲学死了。哲学已经跟不上科学尤其是物理学的现代发展。在我们探索知识的进程中，科学家已成为发现的火炬手”。当然，当代也有一些大科学家力挺哲学，这个话题就此打住。）
图3 爱因斯坦与柏格森 （图片取至科学美国人中文版）
然而，从物理规律，到真正的数码相机，还有一段路要走。我们先回顾光电效应的基本原理。以下公式描述光电转换的大致过程：
（1）
其中λ代表入射波长，理论上趋于无限，但对于普通光学相机，有效成像波段仅在全色波段附近；b(λ)代表成感光材料上的辐射强度，即单位面积上所照射的光子数；q(λ)为量子效率，是激发电子流与入射光子流之比，和感光材质有关。整个公式就表示，在感光材料δA面积上，δt时间内，所激发的电子数的总和N。（注意到入射光与激发电子之间的线性关系，理论上可以通过电压数值化后的图像来反演场景的辐射信息。）
那么在可见光下，什么样的物理材料能够非常容易地激发出电子呢？1969年，贝尔实验室的博伊尔（Boyle，1924-2011）和史密斯（Smith，1930-），在研制存储器的时候，发明了一种称作为电荷耦合器件（charge coupled device，CCD）的元件，这是一种高感光度的半导体单晶材料。他们后来发现，CCD在被照明时，元件表面将产生电荷。后面就是工程师的事了：制造电容组，收集面阵上的电荷，传给电荷放大器，转换成电压信号。
图4 斯密斯和博伊尔
2009年，诺贝尔物理学奖被授予“光纤通信和CCD的发明”。CCD获奖实至名归，它在世纪之交逐渐取代了以往的胶片成像，由此带来摄影技术的彻底革命，促进医学、天文学、摄影测量学的发展，也是计算机视觉等诸多计算机学科的强大推动力。上世纪90年代末仍存在着关于“CCD是否将取代胶片”的争论，柯达帝国也誓死捍卫自己的疆土。而今，胶片已成过往云烟，柯达也真的算是死了。2012年申请破产保护，转型数码市场太晚了！
在摄影测量学中使用的专业光学相机，包括大部分单反数码相机，主要成像器件都是CCD；不过，普通大众，以及计算机视觉中常用的数码相机，以及手机自带的相机、电脑上的摄像头，成像器件是互补式金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS），而非CCD的单晶材料（您没记错，CMOS同时是电脑里面随机存储器的缩写！）。当然，这两者都遵循光电效应，本质上并无区别。CMOS感光组件造价低廉，比CCD耗电量低、数据传输快，统治着中低端数码相机市场。
感谢CCD、CMOS等感光器件，我们实现了光电转换。接下来，如何存储激发得到的电子的问题留给了另一项物理技术：模数转换（A/D）。模数转换是将连接变化的模拟量（电压）转换成离散的数字量（数模转换正相反，它是将数字转换成连续的电流信号）。离散化后得到的光栅矩阵，称之为像素。采样定理决定了最优的采样方法。
最后一步是存储数字信号。我们可以先将数字信号放入内存（半导体存储单元），然后存放到外存中（软盘、硬盘、光盘等）。对于光学传感器获得的数字信号，我们赋予一定的文件头，并称之为图像（或影像、像片）。文件头定义了图像的读写格式，常用的格式包括jpg、png、bmp、tiff等。
本节最后，与达盖尔摄影法类似（虽然这次你基本上没法DIY），我们回顾整个数码相机的摄影流程。首先，你用数码相机取景、调焦、拍摄，光子从物体出发，经过透光的镜头，打在CCD上，引起电压的变化，这些电压经过放大和模数转换，化为一系列01代码，被忠实地记录到磁盘中。然后，你把这个图像文件拷贝到电脑上，CPU接到显示指令，通过数模转换，将数字信号转换为电压（或电流），显示器读出电信号，再通过光电效应，发出光子，被你的眼睛捕获，场景得以再现。
此文来自：科学网季顺平（武汉大学遥感信息工程学院教授）博客。