數(shù)碼相機工作原理

1、數(shù)碼相機工作原理引言尼康數(shù)碼相機在過去二十年里，消費電子產(chǎn)品的大多數(shù)重要技術(shù)突破實際上可歸結(jié)于一項更大意義上的突破。仔細(xì)觀察就會發(fā)現(xiàn)，cd、dvd、高清電視、mp3和dvr其實都是基于相同的原理，即：將傳統(tǒng)的模擬信息（用起伏波表示）轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信息（用1和0，或比特表示）。這一技術(shù)上的根本轉(zhuǎn)變完全改變了我們處理圖像和聲音信息的方式，使許多事情成為可能。 數(shù)碼相機的出現(xiàn)是這一轉(zhuǎn)變最顯著的例子它與傳統(tǒng)相機存在本質(zhì)上的差異。傳統(tǒng)相機完全依賴化學(xué)和機械工藝你甚至不需要用電來操作相機。而所有數(shù)碼相機都內(nèi)置有計算機，并且都以電子形式記錄圖像。這種新方法已經(jīng)獲得巨大成功。由于目前膠卷提供的照片質(zhì)量仍然高于數(shù)碼

2、相機，因此數(shù)碼相機還沒有完全取代傳統(tǒng)相機。但是，隨著數(shù)字圖像技術(shù)的進步，數(shù)碼相機已經(jīng)迅速超越傳統(tǒng)相機，將變得更加普及。在這篇文章中，我們將一起了解這類神奇數(shù)碼裝置的具體工作原理。了解基本原理假設(shè)你想拍一張照片并通過電子郵件發(fā)送給朋友。要實現(xiàn)這一點，你必須借助計算機能夠識別的語言來表示這個圖像，即比特和字節(jié)。數(shù)字圖像本質(zhì)上僅僅是由1和0組成的長字串，1和0可用來表示微小的色點（或像素），所有色點（或像素）共同組成圖像。（有關(guān)數(shù)據(jù)的取樣及數(shù)字化表示方面的信息，請參見對聲波數(shù)字化進行的說明。光波數(shù)字化的原理與此類似。）如果你希望將一張照片轉(zhuǎn)變成數(shù)字形式，可以采用兩種方法： 第一種方法是先使用傳統(tǒng)膠卷

3、相機拍攝一張照片，然后通過化學(xué)方式處理膠卷，并將其打印在相紙上，然后使用數(shù)字掃描儀對打印照片進行取樣（將光圖記錄為一系列的像素值）。 第二種方法是可以直接對拍攝對象所反射的原始光進行采樣，直接將光圖分解為一系列像素值。換句話說，你可以使用數(shù)碼相機。 從最根本來說，這正是數(shù)碼相機要實現(xiàn)的功能。數(shù)碼相機也和傳統(tǒng)相機一樣，包含一系列鏡片，使光線聚焦、景物成像。但是，數(shù)碼相機不是使光線聚焦在膠卷上，而是聚焦在能夠借助電子形式記錄光的半導(dǎo)體裝置中，然后通過計算機將這種電子信息分解為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。數(shù)碼相機正是因為這一過程而變得好玩和有趣。在以下幾個部分，我們將一起了解數(shù)碼相機是如何實現(xiàn)這些功能的。精彩實錄 你

4、可以使用300萬像素的數(shù)碼相機拍攝比計算機顯示器分辨率還要高的照片。 你可以通過網(wǎng)頁瀏覽器查看jpeg格式的數(shù)碼照片。 柯達(kodak)和蘋果(apple)于1994年出售了各自第一部面向消費者的數(shù)碼相機。 索尼(sony)于1998年出乎意外地售出70多萬部便攜式攝像機，它們都具有一定的透視衣服的能力。無膠卷相機cmos圖像傳感器數(shù)碼相機不用膠卷，而是使用傳感器將光轉(zhuǎn)化為電荷。 大多數(shù)數(shù)碼相機所使用的圖像傳感器是電荷耦合裝置（ccd）。而有些數(shù)碼相機使用互補金屬氧化物半導(dǎo)體（cmos）技術(shù)。ccd和cmos圖像傳感器都能夠?qū)⒐廪D(zhuǎn)化為電子。如果你已經(jīng)閱讀了太陽能電池工作原理，你就會了解完成這

5、種轉(zhuǎn)化的相關(guān)技術(shù)。理解這類傳感器的一種簡便方法就是想象存在由幾千或幾百萬個微小太陽能電池組成的二維矩陣。傳感器將光轉(zhuǎn)化為電子后，讀取圖像中每個“電池”的值（累積電荷）。兩類主要傳感器之間存在的差異就體現(xiàn)在這個環(huán)節(jié)： ccd將電荷傳送到芯片上并在矩陣的某個角落讀取電荷。接著由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（adc）測量每個感光單元的電荷數(shù)量并將測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為二進制形式，從而將每一個像素的值轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)字形式的值。 cmos裝置則在每一個像素中使用幾個晶體管，并借助更多傳統(tǒng)的電路將電荷放大并移動。由于cmos信號是數(shù)字信號，因此無需使用adc。 your browser does not support javas

6、cript or it is disabled. 光子撞擊感光單元并釋放電子 兩類傳感器各有優(yōu)缺點：dalsa供圖ccd傳感器 ccd傳感器形成的圖像質(zhì)量高、噪聲低。cmos傳感器通常更容易受到噪聲的影響。 由于cmos傳感器中的每一個像素旁邊都存在多個晶體管，因此cmos芯片的感光度更低。許多光子沒有撞擊到光敏二極管，而是撞擊到這些晶體管上。 cmos通常消耗很少的能量。而ccd則不同，其使用的工序耗能很大。ccd消耗的能量是同等cmos傳感器的100倍。 ccd傳感器投入量產(chǎn)的時間更長，因此更加成熟。這類傳感器具有更高的像素質(zhì)量和數(shù)量。 雖然兩類傳感器存在許多差異，但它們在相機中的作用是相

7、同的，都是將光轉(zhuǎn)化為電。如果只是為了了解數(shù)碼相機的工作原理，可以把它們看作是幾乎相同的裝置。 分辨率相機能夠捕捉到的細(xì)節(jié)度稱為分辨率，用像素來衡量。相機的像素越多，能夠拍攝的細(xì)節(jié)就越多，照片也就可以越大而不變得模糊或產(chǎn)生“顆?！?。常見的幾種分辨率包括： 256x256：在非常廉價的相機中可以找到，由于分辨率太低，畫質(zhì)幾乎總會無法讓人接受?？傁袼貫?5,000。 640x480：這是大多數(shù)真正意義上的相機所具有的起始分辨率，是通過電子郵件發(fā)送或在網(wǎng)站發(fā)布照片的理想選擇。 1216x912：圖像大小達到百萬像素（總像素為1,109,000），可用來打印照片。 1600x1200：總像素接近200萬

8、，屬于“高分辨率”。你可以用大約10 x 13厘米的相紙打印用該分辨率拍攝的照片，其質(zhì)量和照相館拍出來的不相上下。 2240x1680：在400萬像素相機中可以找到這種分辨率，該分辨率允許打印更大的照片，能夠獲取高質(zhì)量打印效果的最大圖像尺寸大約是41 x 51厘米。 4064x2704：這是目前業(yè)界較高技術(shù)水平的1110萬像素數(shù)碼相機在拍照時使用的分辨率。如果使用這種分辨率，你可以打印的照片尺寸大約是34 x 23厘米，而畫質(zhì)不會出現(xiàn)任何失真。 morguefile供圖使用不同分辨率拍攝的圖像大小高端相機能夠捕捉超過1200萬像素的圖像。某些專業(yè)相機支持超過1600萬像素，大幅相機甚至達到20

9、00萬像素。相比較而言，惠普公司 (hewlett packard) 估計，35mm膠卷的質(zhì)量大約為2000萬像素。接著，讓我們一起來了解相機是如何給這些圖像上色的。多少像素？你可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，像素數(shù)量和最大分辨率都無法精確計算。例如，一部210萬像素的相機所形成的圖像分辨率可能是1600x1200或192萬像素。但“210萬像素”按理說應(yīng)該必須至少有210萬個像素。 這種錯誤不是由四舍五入或二進制數(shù)學(xué)誤差造成的。這些數(shù)字之間的差距是真實存在的，因為ccd必須包含能夠讓adc測量電荷的電路。這類電路被染成黑色，無法吸收光能，導(dǎo)致圖像失真。捕捉顏色遺憾的是，每個感光單元都是色盲。感光單元只能記錄照

10、射到其表面的光線總強度。為了獲得全彩圖像，多數(shù)傳感器都使用濾鏡，將光線轉(zhuǎn)換為三種基本顏色。相機記錄下這三種顏色之后，再將它們組合形成完整的光譜。 your browser does not support javascript or it is disabled. 這三種顏色如何混合形成多種顏色？ 數(shù)碼相機記錄這三種顏色的方式有多種。質(zhì)量最好的相機使用三個獨立的傳感器，各自使用不同的濾鏡。光束分束器將光導(dǎo)向不同的傳感器。想象光進入相機就和水流過水管一樣，使用光束分束器就像是將相同數(shù)量的水分流到三條不同的水管中。每個傳感器都以同樣的方式捕獲圖像，但是因為使用的濾鏡不同，每個傳感器只能對一種基本顏

11、色做出響應(yīng)。原始圖像（左）在光束分束器中被分割這種方法的優(yōu)點是相機在每個像素位置記錄下這三種顏色。遺憾的是，使用采用這種方法的相機通常體積較大，價格昂貴。另一種方法是在唯一的傳感器前面旋轉(zhuǎn)一系列紅、藍、綠濾鏡，該傳感器快速連貫地記錄這三種獨立的圖像。這種方法能夠提供每個像素位置的三色信息，但是，由于這三種圖像不是在精確的同一時刻拍攝，相機和拍照對象必須為這三次記錄保持靜止?fàn)顟B(tài)。這種方法對于抓拍攝影或手持相機來說不實用。your browser does not support javascript or it is disabled. 旋轉(zhuǎn)濾鏡 這兩種方法都非常適合專業(yè)的攝影棚相機使用，但它們

12、不一定適用于隨意抓拍。一個用來記錄基本顏色的更加經(jīng)濟實用的方法是在每個獨立的感光單元上面永久放置一個稱為“色彩濾鏡矩陣”的濾鏡。通過將傳感器分割成紅、藍、綠各種像素，每個傳感器周圍都能夠獲取足夠的信息，從而能夠?qū)υ撐恢玫恼鎸嶎伾龀龇浅?zhǔn)確的判斷。參照同一傳感器相鄰位置的其他像素并做出有根據(jù)的判斷過程稱為“插補”。最常見的濾鏡模式為貝爾濾鏡模式。該模式交替使用一排紅、綠濾鏡和一排藍、綠濾鏡。像素并不是平均分布：綠色像素的數(shù)量是藍色和紅色像素數(shù)量的總和。這是因為人眼對這三種顏色的敏感程度不同，因此必須包含更多的綠色像素信息，以便在視覺上形成“真實顏色”的圖像。這種方法的優(yōu)點是僅使用一個傳感器，而

13、且所有顏色信息（紅、藍、綠）都是在同一時刻記錄的。這就意味著相機外形可以做得更小、價格更便宜且適用場合更加廣泛。貝爾濾鏡傳感器的原始輸出是由強度不等的紅、綠、藍像素組成的馬賽克。數(shù)碼相機使用專用的去馬賽克算法將這個馬賽克轉(zhuǎn)換成具有真實顏色、大小相等的馬賽克。關(guān)鍵是每個色彩像素都被多次使用。某個像素的真實顏色由其周圍最近的像素值的平均數(shù)確定。your browser does not support javascript or it is disabled. 去馬賽克算法的工作原理 某些單傳感器相機使用不同于貝爾濾鏡模式的其他方案。例如x3 技術(shù)就在硅中置入紅、綠、藍光探測器。某些更先進的相機不

14、是組合紅、綠、藍，而是使用排版顏色（青、黃、綠、絳紅）對數(shù)值進行減法運算。甚至還有使用兩個傳感器的方法。然而，當(dāng)今市場的多數(shù)消費相機都是使用單個傳感器，交替使用綠、紅和綠、藍濾鏡排。曝光與聚焦數(shù)碼相機和使用膠卷的傳統(tǒng)相機一樣，也需要控制進入傳感器的光線數(shù)量。數(shù)碼相機使用兩個要素來實現(xiàn)這一點：光圈和快門速度，這兩個要素也存在于傳統(tǒng)相機。 光圈：相機的開孔大小。多數(shù)數(shù)碼相機使用自動光圈，但是也有一些允許手動調(diào)節(jié)光圈，方便專業(yè)人士和業(yè)余愛好者更好地控制最終圖像。 快門速度：光線通過光圈的時間總和。數(shù)碼相機使用的光傳感器和膠卷相機不同，光傳感器可以用電子方式進行重置，因此數(shù)碼相機使用的是數(shù)字快門，而不

15、是機械快門。 以上兩個要素相互配合，共同捕捉形成高質(zhì)量圖像所需的光線數(shù)量。用攝影術(shù)語來說就是，兩者共同調(diào)節(jié)傳感器的曝光。你可以閱讀相機工作原理，了解有關(guān)相機光圈和快門速度的知識。相機除了要控制光線數(shù)量以外，還必須調(diào)節(jié)鏡頭，以控制光線在傳感器上的聚焦方式。數(shù)碼相機的鏡頭通常和傳統(tǒng)相機鏡頭非常相似，甚至有些數(shù)碼相機也使用傳統(tǒng)鏡頭。大部分?jǐn)?shù)碼相機采用自動聚焦技術(shù)，你可以閱讀自動聚焦相機工作原理一文以了解更多相關(guān)信息。然而，焦距是數(shù)碼相機鏡頭和35mm相機鏡頭之間的一項重大差異。焦距是指鏡頭到傳感器表面的距離。不同制造商生產(chǎn)的傳感器規(guī)格差別很大，但它們通常都比一張35mm膠卷短。為了將圖像映射到更小的

16、傳感器上，焦距也按照相同的比例縮短。（要了解更多有關(guān)傳感器規(guī)格的知識及其與35mm膠卷有何不同，請訪問 p 網(wǎng)站。） 此外，當(dāng)你在相機中瀏覽時，焦距可以用來確定圖像的縮放比例。在35mm相機中，使用50mm鏡頭可以獲得拍攝對象的正常比例圖像。擴大焦距可以使拍攝對象放大，看起來距離更近；縮小焦距則效果相反。變焦鏡頭是指可調(diào)節(jié)焦距的鏡頭，數(shù)碼相機可以使用光學(xué)變焦或數(shù)字變焦，有些兩者都可使用。此外，有些相機還具備微距調(diào)焦功能，即相機可以靠近對象做近距離拍攝。數(shù)碼相機使用以下四種鏡頭： 定焦鏡頭：這是廉價的一次性膠卷相機所使用的鏡頭，價格便宜且非常適合抓拍，但是很受局限。 可自動調(diào)焦的光學(xué)變焦鏡頭：類

17、似于攝像機的鏡頭，具備“廣角”與“遠攝”選項和自動聚焦功能。相機支持或不支持手動調(diào)焦。這種鏡頭不只是將撞擊到傳感器上的信息放大，而是真正改變了鏡頭的焦距。 數(shù)字變焦鏡頭：有了數(shù)字變焦，相機就能夠在圖像傳感器中央獲取像素并進行插補，以形成完整大小的圖像。這種方法形成的圖像可能有顆粒感或較模糊，具體取決于圖像的分辨率和傳感器?？梢杂脠D像處理軟件手動演示這種效果：隨便拿出一張照片，將照片中央部分剪切掉再放大。 可更換鏡頭：這和35mm 相機使用的可更換鏡頭類似。某些數(shù)碼相機可以使用35mm相機所使用的鏡頭。 存儲器多數(shù)數(shù)碼相機都有一個lcd屏，因此，你可以立即瀏覽拍攝的照片。這是數(shù)碼相機的一個主要優(yōu)

18、點：你可以立即看到自己所拍照片的效果。當(dāng)然，如果你只滿足于通過相機瀏覽圖像，就不免有點小看了數(shù)碼相機的魅力。其實，你還可以將照片加載到計算機或直接發(fā)送到打印機。實現(xiàn)這些功能的方法很多。 hsw shopper供圖 cf閃存卡 早期數(shù)碼相機在相機中包含固定存儲器，使用者需要借助線纜將相機直接連接到計算機，實現(xiàn)圖像傳輸。如今多數(shù)相機都能夠通過串口、并口、scsi口、usb口或firewire口實現(xiàn)連接，但它們通常還需要使用某種移動存儲設(shè)備。 數(shù)碼相機使用多種存儲系統(tǒng)。這些存儲設(shè)備就像可重復(fù)使用的數(shù)字膠卷，可借助盒式閱讀器或讀卡器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C。許多相機包含固定或可移動的閃存。數(shù)碼相機制造商通常

19、都是開發(fā)自己專用的閃存設(shè)備，包括 smartmedia卡、compactflash卡和記憶棒。其他一些移動存儲設(shè)備包括： 軟盤 硬盤或微盤 可寫入cd和dvd 不論數(shù)碼相機使用何種存儲設(shè)備，都需要大量空間來存儲照片。數(shù)碼相機通常將圖像存儲為以下兩種格式的一種：非壓縮格式tiff和壓縮格式j(luò)peg。多數(shù)相機使用jpeg文件格式存儲照片，而且有時提供質(zhì)量等級設(shè)置（例如中或高）。以下圖表顯示的是不同規(guī)格的照片產(chǎn)生的文件大小。圖像規(guī)格 tiff （未壓縮） jpeg （高質(zhì)量） jpeg （中等質(zhì)量） 640x480 1.0 mb 300 kb 90 kb 800x600 1.5 mb 500 kb 130 kb 1024x768 2.5 mb 800