乍一看,摄像机技术似乎是20世纪的成就。然而,它的根源可追溯到公元前5世纪（见图1.1）。因而,古希腊对光本质的研究可谓最早的摄像机理论[160]。哲学家阿克拉戈斯的恩培多克勒（Empedocles of Acragas,公元前492-432年）认为,“女神阿芙罗狄蒂用四种元素造了人的眼睛,人眼睛中火照耀的光线与太阳的光线相互作用,从而产生视觉”。
墨子（公元前470-391年）指出光线通过针孔后会发生投射倒置;亚里士多德（公元前384-322年）描述了光线通过缝隙或小孔后投射的效果,并指出孔径越小,投影越清晰;最后,欧几里得（公元前323-283年）指明,光沿直线传播。
总之,上述贡献可归结为针孔原理的早期描述。图1.2a给出了理论上的理想针孔装置,而图1.2b显示了当孔径d＞0时,图像变得模糊。因此,孔径越小,图像越清晰。然而,这个结论在某一特定点才成立,在此点处的光散射又会引起模糊。继Josef Petzval（1807-1891年）之后,Lord Rayleigh（1842-1919年）得出优化孔径为
,其中d是针孔直径;f是焦距;λ是波长（550nm）。与正常透镜物镜的F值范围F=[2,8,…,22]相比,针孔照相机的F数值F=f/d达到了很高的值,如当f=100mm,d=0.45mm时,F=222。因此,景深表示为被摄主体基本清晰的距离范围,可通过弥散圆（CoC）直径计算得到景深值（弥散圆是指,在观察距离为25cm,模糊圆仍可被人眼感知作一点,产生每毫米五条线的分辨率,见图1.2b）。作为经验规则,CoC直径最大限度值由蔡司公式给出：CoC=α/1730,α是相机底片对角长度。另一种CoC的依据是数字传感器像素间的空间距离,典型范围是5～10μm。不管怎样,针孔摄像机的原理在今天仍被用于风景摄影与核医学成像（针孔SPECT）。
阿拉伯科学家Ibn Al-Haytham最先在他的《Book of Optics（光学之书）》中精确地描述和分析了人眼的视觉过程及图像如何在人眼中形成的。然后他应用同样的原理,发明了暗室,但他说“我们没有发明这个”（这句话在后来此书的拉丁文版中为“Et nos non invenimus ita”）。他最早把视觉描述为发生在大脑中而非发生在眼睛中的过程。Ibn Al-Haytham认为,既不是因物理形式进入眼睛也不是因眼睛射出光线而产生视觉,然而希腊学者们却是这样认为的。他在实验中证明,光线从暗室外边的物体上的每一点出发,沿直线传播投射到暗室中的物像上。他设计了最早的暗箱,也最先把物理现象由哲学研究转向实验研究。150年后,Averroes开辟了神经科学,确定了视网膜的感光属性并描述了视觉器官。在中国,沈括（1031-1095年）最早描述了暗室。达芬奇（Leonardo da Vinci,1452-1519年）给出了关于反光物体小孔成像的初步认识,即清晰度和亮度取决于光圈孔径。Gemma Frisius（1508-1555年）于1544年利用暗室观察日食。1558年,Giovani Battista della Porta（1535-1615年）完善了暗室成像,详细描述了如何加装凸透镜来获得精确的投射成像,又建议画家利用暗室绘画。1604年,德国科学家开普勒最早使用拉丁术语camera obscura。10世纪以来,成像暗室模型都是很大的黑暗房间。17世纪晚期,Robert Boyle和胡克（Robert Hooke）创建了第一个便携式暗箱。
图1.1 智能摄像机的时间简史：从小孔成像,经暗室照相机,最终为安捷伦公司光电鼠标
图1.2 暗室针孔原理的理论图示和实际中小孔径成像图示
a）暗室针孔原理的理论图示 b）实际中小孔径成像图示（由于小孔具有一定直径,图像变得模糊,见图中灰色的CoC圆盘）
后来,William Hyde Wollaston（1766-1882[1]年）申请了“明室”的专利,实际上是晚期暗室的再发明。给出一个明室,由Bausch＆Lomb Optical Co.,Roches-ter,NY（博士伦光学公司,罗切斯特,纽约）制造,它与暗室的差异在于不采用黑暗的房间（因而称为“明室”）。Wollaston的问题在于操作复杂,于是在1818年,Giovani Battista Amici（1786-1863年）推出明室的改进版,如图1.3所示。
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图1.3 明室针孔原理的理论图示和实际中小孔成像图示
a）明室针孔原理的理论图示 b）实际中小孔径成像图示（由于小孔具有一定直径,图像变得模糊,见图中灰色的部分）
Carl Friedrich Gauss（1777-1855年）于1841年出版了《Theory of Lenses（镜头理论）》,1826年,Joseph Nicephore Niepce（1765-1833年）因首次发明了永久照片纸,而被誉为摄影发明家。Louis Daguerre（1787-1851年）联合Niepce,提出银板照相法（Daguerrotype process）,加速了照相显影的过程,与此同时还有塔尔博特的碘化银纸照相法（Calotype process）。1851年,Frederick Scott Archer（1813-1857年）发明了火棉胶摄影法（Collodion process）,紧接着于1871年,Richard Maddox发明了明胶溴化银干版法（Silver bromide process）。乔治·伊George East-man（1854-1932年）创办伊斯曼柯达公司,极大地推动了摄影技术的广泛应用。
1891年,爱迪生（1847-1931年）发明了活动图像摄影机,在1913年,Oskar Barnack（1879-1936年）开发出原型莱卡相机（Ur-Leica）——35mm照相机。Vladimir Zworykin（1889-1982年）于1923年发明了映像真空管,1934年他又发明光电摄像管。1948年,Edwin Herbert Land（1909-1991年）以他本人在1932年发明的偏光滤波器为基础创造了偏光板工艺。1950年,RCA（美国无线电公司）开发了光导摄像管,这是一种单色的摄像真空管,与其他摄像管相比,如光电摄像管,它重量轻、体积小且耗电低。美国BCE（Bing Crosby,1903-1977年）公司实验室展示了由John T.Jack Mullin（1913-1999年）开发的最早的视频记录磁带;1955年,该实验室又展示了彩色视频记录的模型。
由Bausch＆Lomb Optical Co.,Roch-ester,NY制造的明室如图1.4所示。
图1.4 由Bausch＆Lomb Optical Co.,Rochester,NY制造的明室
1960年,NASA由模拟技术转换为数字技术,开创了数字通信的新时代。早在以传感器阵列为基础产生的数字静止图像的概念出现之前,以扫描设备为基础的数字图像概念和数字视频概念就已经出现了。喷气推动实验室的Eugene F.Lally首次公开描述了如何采用马赛克图像传感器产生数字域照片[307]。其目的是为执行航天任务的宇航员提供机载导航信息。在航天飞行过程中,马赛克阵列定期记录恒星和行星定位的静止照片,当接近行星时,为绕轨运行和着陆提供补充测距信息。这种概念包含了设计摄像机的要素,也预示了最早的数字摄像机。固体成像起始于20世纪60年代,那时不计其数的科研团队致力于NMOS、PMOS以及双极型工艺,且取得了不同程度的成功[187]：Morrison[387]于1963年报告了能测定一个光斑位置的装置;IBM[239]公司于1964年推出以n-p-n结阵列为基础的集成半导体扫描器。像素一词大约在1964年便出现了[343]。美国西屋公司于1966年公布出一个（50×50）的单片式光敏晶体管阵列[474]。
然而,所有这些传感器在未集成的状态下工作,因而其灵敏度很低。1967年,RCA的Weimer等人[561]采用CdS/CdSe薄膜电晶体,研制出180×180像素的传感器。同年,仙童公司的Weckler提出了以光子通量积分模式工作的p-n结,在反向偏置的p-n结电容中收集光电流;1968年,首次报道了（100×100）像素的图像传感器被制作出来,Weckler把它命名为reticon并建立了Reticon公司[154]。
1968年,英国Plessey公司的Noble[403]描述了几种自扫描硅图像传感器的阵列结构,并且在1970年探讨了固定图形噪声问题[193]。在1969年Boyle和Smith提出第一个电荷耦合器件（CCD）。TI公司的工程师Willis Adcock设计了无胶卷摄像机并于1972年申请专利,但并不清楚是否之前已有人设计了这种摄像机。1975年,柯达公司[562]的工程师Steven Sasson首次研制出数字摄像机,它采用了由仙童公司于1973年开发的新型CCD图像传感器[419],重约8lb（3.6kg）,把黑白图像记录在盒式磁带,分辨率为10000像素,于1975年12月拍摄了第一张图像,耗时23s。研制原型摄像机纯属于技术锻炼而非产品化。Sony公司于1981年推出Mavica电子照相机。1985年,仙童公司的首个行扫描摄像机问世,采用了只有一行像素的传感器阵列;同时Pixar公司着手数字图像处理。1986年,柯达公司推出了百万像素图像传感器。
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