數(shù)碼相機工作原理完整解析

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科技革命。仔細觀察就會發(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)的模擬信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信息。這一技術(shù)上的根本轉(zhuǎn)變完全顛覆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。數(shù)碼相機的面世，使非專業(yè)攝影師也能拍出美麗照片的幾率大大提高。用數(shù)碼相機拍出來的照片也有著艷麗的色彩，清晰的畫面，而且照片的后期處理更加方便和快捷。但數(shù)碼相機是怎么工作的，以及這些工作原理和傳統(tǒng)的膠片相機有何異同，了解的人就不是很多了。今天我們就按數(shù)碼照片的形成過程，從鏡頭、感光元件、處理器一直到存儲系統(tǒng)，一步一步地來了解數(shù)碼相機的工作原理。相機的數(shù)碼化歷程數(shù)碼相機的歷史可以追溯到上個世紀四五十年代，電視就是在那個時候出現(xiàn)的。伴隨著電視的推廣，人們需要一種能夠?qū)⒄谵D(zhuǎn)播的電視節(jié)目記錄下來的設(shè)備。1951年實驗室發(fā)明了錄像機（VTR），這種新機器可以將電視轉(zhuǎn)播中的電流脈沖記錄到磁帶上。到了1956年，錄像機開始大量生產(chǎn)。同時，它被視為電子成像技術(shù)的誕生。第二個里程碑式的事件發(fā)生在二十世紀六十年代的美國宇航局。在宇航員被派往月球之前，宇航局必須對月球表面進行勘測。然而工程師們發(fā)現(xiàn)，由探測器傳送回來的模擬信號被夾雜在宇宙里其它的射線之中，顯得十分微弱，地面上的接收器無法將信號轉(zhuǎn)變成清晰的圖像。于是工程師們不得不另想辦法。1970年是影像處理行業(yè)具有里程碑意義的一年，美國貝爾實驗室發(fā)明了CCD。當(dāng)工程師使用電腦將CCD得到的圖像信息進行數(shù)字處理后，所有的干擾信息都被剔除了。后來“阿波羅”登月飛船上就安裝有使用CCD的裝置，這就是數(shù)碼相機的原形。得益于這一技術(shù)，在“阿波羅”號登上月球的過程中，美國宇航局接收到的數(shù)字圖像如水晶般清晰?！鞍⒉_”號回傳的數(shù)字圖像在這之后，數(shù)碼圖像技術(shù)發(fā)展得更快，主要歸功于冷戰(zhàn)期間的科技競爭。而這些技術(shù)也主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，大多數(shù)的間諜衛(wèi)星都使用了數(shù)碼圖像技術(shù)。在數(shù)碼相機發(fā)展史上，不得不提的是索尼公司。索尼于1981年8月在一款電視攝像機中首次采用CCD，將其用作直接將光轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的傳感器。目前索尼每年生產(chǎn)的感光元件也占據(jù)了全球很大一部分的市場，這也正是現(xiàn)今索尼能夠在感光元件市場上傲視群雄的一個原因，因為核心命脈掌握在自己手中。在冷戰(zhàn)結(jié)束之后，軍備科技競賽很快地轉(zhuǎn)變?yōu)榱耸袌隹萍紶幇浴?995年，以生產(chǎn)傳統(tǒng)相機和擁有強大膠片生產(chǎn)能力的柯達公司向市場發(fā)布了其研制成熟的民用消費型數(shù)碼相機DC40。這被很多人視為數(shù)碼相機市場成型的開端。DC40使用了內(nèi)置為4MB的內(nèi)存，不能使用其它移動存儲介質(zhì)，其38萬像素的CCD支持生成756×504的圖像，兼容Windows3.1和DOS。蘋果公司的QuickTake100也同時在市場上推出。當(dāng)時兩款相機都提供了對電腦的串口連接。柯達DC40從此之后，數(shù)碼相機就如雨后春筍般不斷由各相機廠商推出，感光元件的像素不斷增加，創(chuàng)意功能不斷翻新，拍攝的圖像效果也越來越接近并超越傳統(tǒng)相機。鏡頭人類用眼睛來感知色彩繽紛的世界，而照相機則是用鏡頭來攝取美麗的景物。人眼中客觀存在的場景實際上是一種光學(xué)信息的表達，景物反射出不同亮度和光譜的光線以顯示出不同的色彩。照相機就是要把某一瞬間的光線永久保存下來，傳統(tǒng)照相機是把這些光線轉(zhuǎn)化對應(yīng)為膠片上化學(xué)藥劑的變化，而這些膠片也只是半成品，還需進一步的化學(xué)反應(yīng)才能顯影，可見傳統(tǒng)膠片照相機的拍攝過程完全是光信號與化學(xué)信號的轉(zhuǎn)換過程。而數(shù)碼相機不管其最終的存儲介質(zhì)是什么，其本質(zhì)是把一組一定亮度和光譜的光線轉(zhuǎn)化為一堆二進制數(shù)，然后保存在某種記錄介質(zhì)上，屬于光信號與電信號的轉(zhuǎn)換。然而不論是數(shù)碼相機還是傳統(tǒng)照相機，首先接收的都是景物的光學(xué)信息，所以，光學(xué)鏡頭是必不可少的第一組件，被攝景物信息必須經(jīng)過光學(xué)鏡頭才能成像到達成像器件。鏡頭的作用是將外部的目標(biāo)物體反射回來的光線通過其特定的形狀，匯聚折射到感光器件上。類似的工作狀態(tài)有點像我們小時候在自然課上學(xué)過的用一片凸透鏡聚光來產(chǎn)生更多的光亮。在通過鏡頭確認要拍攝的對象以后，我們把相機的鏡頭對準目標(biāo)物體。這時，物鏡或物鏡組就會根據(jù)自動對焦系統(tǒng)的控制信號來調(diào)節(jié)它和感光器件的距離，使物體的像剛好落到感光元件上，這樣才可以形成清晰的圖像。而鏡頭的自動對焦系統(tǒng)的工作原理，就是我們要討論的重點之一?，F(xiàn)今的數(shù)碼相機自動對焦鏡頭從工作原理上說大多都采用了間接實測物距方式進行對焦。它是利用一些可以被利用的間接距離測量方式來獲取物距，通過運算，伺服電路驅(qū)動調(diào)節(jié)焦距的微型馬達，帶動調(diào)焦鏡片組進行軸向移動，來達到自動調(diào)節(jié)焦距的目的。經(jīng)常被利用來進行間接距離測量的方式有：無源光學(xué)基線測距、有源超聲波測距、有源主動紅外測距以及現(xiàn)代的激光技術(shù)在測量領(lǐng)域的應(yīng)用等。無源光學(xué)基線測距：熟悉攝影的朋友都知道，這是一種在取景器里使用光學(xué)基線原理得到磨砂、裂像、菱錐等手段的焦距調(diào)節(jié)方式。磨砂顆粒最細膩時、景物目標(biāo)在兩半圓裂像環(huán)中完全吻合上、菱錐的晶體不再明顯時就是被攝目標(biāo)的物距調(diào)節(jié)到清晰了。有源超聲波測距：通過發(fā)射具有特征頻率的超聲波對被攝目標(biāo)的探測，使用發(fā)射出特征頻率的超聲波和反射回接受到特征頻率的超聲波所用的時間，換算出距離，也就是物距，利用伺服電路驅(qū)動調(diào)節(jié)焦距的微型馬達，達到自動調(diào)焦的目的。有源主動紅外測距以及現(xiàn)代激光技術(shù)測距：二者在原理上基本相似。這類方式在應(yīng)用上目標(biāo)精度極高，由此而來的高成本也是可想而知的。且體積一般都比較大，維護也相當(dāng)困難，不過在高檔攝影器材中已經(jīng)有了一些使用這類技術(shù)簡化版的產(chǎn)品出現(xiàn)。

對焦過程結(jié)束后，各位攝影師就該準備按下快門永久保存下令人感動的瞬間了。那么具體的物象是如何變成一系列的光電信號的呢？讓我們接著說說感光元件那些事。感光元件相比傳統(tǒng)的膠片相機來說，數(shù)碼相機最大的改變就是將感光元件從膠片轉(zhuǎn)變?yōu)榱薈CD/CMOS。傳統(tǒng)膠片相機使用銀鹽作為感光材料，即膠卷作為感光元件，拍攝后還需經(jīng)過沖洗才能得到最終成片。不但無法第一時間得知最終效果而且在保存上也不太方便。而數(shù)碼相機的“膠卷”就是其成像感光元件，它與相機融為一體，是數(shù)碼相機的心臟。感光元件是數(shù)碼相機的核心，也是最關(guān)鍵的技術(shù)。數(shù)碼相機的發(fā)展道路，可以說就是感光元件的發(fā)展道路。目前數(shù)碼相機的核心成像部件有兩種：一種是CCD，一種是CMOS。CCD的全稱是ChargeCoupleDevice，翻譯過來就是“光電荷耦合器件”，CMOS的全稱是ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，是“互補金屬氧化物半導(dǎo)體”的意思。CCD和CMOS的工作原理有一個共通點，那就是都是用光敏二極管來作為光-電信號的轉(zhuǎn)化元件。它們每個感光元件的像素點分別對應(yīng)圖像傳感器中的一個像點，由于感光元件只能感應(yīng)光的強度，無法捕獲色彩信息，因此彩色CCD/CMOS圖像傳感器必須在感光元件上方覆蓋彩色濾光片。在這方面，不同的傳感器廠商有不同的解決方案，最常用的做法是覆蓋RGB紅綠藍三色濾光片，以1：2：1的構(gòu)成由四個像點構(gòu)成一個彩色像素（即紅藍濾光片分別覆蓋一個像點，剩下的兩個像點都覆蓋綠色濾光片），這種解決方案就是大名鼎鼎的拜耳濾鏡。拜耳濾鏡示意圖在接受光照之后，感光元件產(chǎn)生對應(yīng)的電流，電流大小與光強對應(yīng)，因此感光元件直接輸出的電信號是模擬的。在CCD傳感器中，每一個感光元件都不對此作進一步的處理，而是將它直接輸出到下一個感光元件的存儲單元，結(jié)合該元件生成的模擬信號后再輸出給第三個感光元件，依次類推，直到結(jié)合最后一個感光元件的信號才能形成統(tǒng)一的輸出。由于感光元件生成的電信號實在太微弱了，無法直接進行模數(shù)轉(zhuǎn)換工作，因此這些輸出數(shù)據(jù)必須做統(tǒng)一的放大處理。這項任務(wù)是由CCD傳感器中的放大器專門負責(zé)，經(jīng)放大器處理之后，每個像點的電信號強度都獲得同樣幅度的增大。但由于CCD本身無法將模擬信號直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，因此還需要一個專門的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進行處理，最終以二進制數(shù)字圖像矩陣的形式輸出給專門的中央控制器處理芯片。而CMOS傳感器中每一個感光元件都直接整合了放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換邏輯（ADC），當(dāng)感光二極管接受光照、產(chǎn)生模擬的電信號之后，電信號首先被該感光元件中的放大器放大，然后直接轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字信號。

CCD與CMOS工作示意圖CMOS和CCD圖像傳感器的主要區(qū)別就是CMOS本身就有ADC，而CCD只能使用外部的ADC。CMOS圖像傳感器集成的ADC能夠直接將模擬的電壓信號直接轉(zhuǎn)換成二進制的數(shù)字信號。這些數(shù)字信號將被進一步處理后最終根據(jù)不同的色度要求形成紅、綠、藍三種色彩信道，通過相應(yīng)的像素來顯示出具體的顏色和深度。除此之外，還有一主要區(qū)別在于讀出信號所用的方法。CCD的感光元件除了感光二極管之外，還包括一個用于控制相鄰電荷的存儲單元，CCD感光元件中的有效感光面積較大，在同等條件下可接收到較強的光信號，對應(yīng)的輸出電信號也更明晰。而CMOS感光元件的構(gòu)成就比較復(fù)雜，除處于核心地位的感光二極管之外，它還包括放大器與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，每個像點的構(gòu)成為一個感光二極管和三顆晶體管，而感光二極管占據(jù)的面積只是整個元件的一小部分，造成CMOS傳感器的開口率遠低于CCD（開口率：有效感光區(qū)域與整個感光元件的面積比值）；這樣在接受同等光照及元件大小相同的情況下，CMOS感光元件所能捕捉到的光信號就明顯小于CCD元件，靈敏度較低。體現(xiàn)在輸出結(jié)果上，就是CMOS傳感器捕捉到的圖像內(nèi)容不如CCD傳感器來得豐富，噪點較明顯，這也是早期CMOS傳感器只能用于低端場合的一大原因。CMOS開口率低造成的另一個麻煩在于，它的像素點密度無法做到媲美CCD的地步，因此在傳感器尺寸相同的前提下，CCD的像素規(guī)?？偸歉哂谕瑫r期的CMOS傳感器。但隨著科技的日漸進步，CMOS的制作工藝有了大幅度的提高，已經(jīng)取代了CCD成為了現(xiàn)今數(shù)碼相機的主流感光元件。一個生動的畫面通過上述復(fù)雜的機內(nèi)處理，變成了一系列二進制的數(shù)字信號，感光元件的任務(wù)就此結(jié)束。下面要開始忙活的，就是相機的大腦——處理器。處理器數(shù)碼相機中處理器主要分兩類，中央處理器和圖像處理器。前者是數(shù)碼相機的大腦，數(shù)碼相機的一切動作，例如開機自檢、錯誤處理等，都由中央控制器發(fā)出。中央控制器是一塊可編程的DSP（DigitalSignalProcessing數(shù)字信號處理），在外圍或其內(nèi)部，有一個小容量的FLASH，負責(zé)存放一些程序語句。中央控制器按照這些程序語句對相機的各種操作做出反應(yīng)，例如對環(huán)境的光線強度做出判斷、調(diào)節(jié)感光二極管放大器的放大率、用不用閃光燈、采用何種快門速度和光圈等。

另外的圖像處理器中除了要把每一個像素點的顏色計算出來外，還要把它們按照一定的時鐘周期進行排列，組成完整的圖像。在某些場合還要對圖像進行一定格式的壓縮，使圖像的容量更小。圖象處理器實質(zhì)上也是一塊可編程的DSP處理器。事實上，圖像處理器算法的好壞對處理出來的圖像質(zhì)量影響很大。在感光元件將實際景物轉(zhuǎn)換為一系列二進制的數(shù)字信號后，ADC就會將數(shù)字信息流傳遞給數(shù)字信號處理器DSP。在DSP中，大量的數(shù)字信息經(jīng)一系列預(yù)設(shè)的程序指令后整合成完整的圖像。這些指令包括繪制圖像傳感器數(shù)據(jù)、分配每個像素的顏色和灰度。在單一傳感器數(shù)字相機中，如果只有一個彩色濾鏡陣列，算法程序?qū)⒅饕M行每個像素的顏色數(shù)據(jù)處理，通過分解臨近的像素顏色來決定某一特定像素的具體色值。如果使用RGB顏色的話，那么組成最終圖像的每個像素的顏色都可以看成是三原色的合成。在對電壓/電流信號進行量化以后，圖象處理器要對像素的顏色進行計算。例如，在R單元得到的數(shù)值是255，在G單元得到的是153，在B單元得到的是51，那么，圖象處理器按照本身定義的算法，將以上三個值代入，得到一個R值為255、G值為153、B值為51的顏色。通過如上步驟，最終的圖像才能夠顯示出自然的顏色。每個廠商設(shè)計的處理程序各不相同，他們通過各不相同的色彩平衡與色飽和度設(shè)置來生成彩色圖像。數(shù)碼相機還運用一個或者多個DSP以及其他設(shè)備來共同處理所得數(shù)據(jù)，以期達到完美畫質(zhì)，并且充分考慮消費者對畫質(zhì)偏好的選擇權(quán)利。如果想要拍下本不需要的噪點，或者通過電子快門來實現(xiàn)霧化效果，這些需求制造商都是通過對算法處理程序進行相應(yīng)的修正來滿足的。類似的程序修正還有很多，例如圖像銳化的應(yīng)用，白平衡的預(yù)設(shè)等等。所以我們可以得出如下的結(jié)論——各個制造商所產(chǎn)數(shù)碼相機的最大不同就在于圖像處理過程的種種算法差異，而這也是導(dǎo)致各廠家影像風(fēng)格不同的最主要原因?？吹竭@里，大家應(yīng)該知道所謂的“尼康銳、佳能魅”的原因了吧，攝影師在得到艷麗的照片后就就該琢磨怎么把它保存下來了，而這也就是照片生產(chǎn)過程中的最后一步——存儲工作了。存儲器存儲器一般是數(shù)碼相機的外設(shè)部分，因為數(shù)碼相機的內(nèi)部一般只會安裝很小容量的FLASH芯片，這對拍攝高分辨率的照片來說是遠遠不夠的。一般的外設(shè)存儲器有CF（CompactFlash）、SM（SmartMedia）、MMC（MultiMediaCard）、SDC（SecureDigitalCard）、MSD（MemoryStickDuo）、IBM的微型硬盤等。但就一般而言，這些存儲器除了IBM的產(chǎn)品以外，其他的都是采用閃存FLASH來作