數(shù)碼相機的成像原理

1、1.1  數(shù)碼相機的成像原理在對數(shù)碼相機的特點和基本組件了解之前，下面來了解一下數(shù)碼相機是如何工作的，這有利于更好地理解和掌握相機的各項關(guān)鍵參數(shù)，深入了解相機的性能。當打開相機的電源開關(guān)后，主控程序芯片開始檢查整個相機，確定各個部件是否處于可工作狀態(tài)。如果一切正常，相機將處于待命狀態(tài)；若某一部分出現(xiàn)故障，LCD屏上會顯示一個錯誤信息，并使相機完全停止工作。當用戶對準拍攝目標，并將快門按下一半時，相機內(nèi)的微處理器開始工作，以確定對焦距離、快門的速度和光圈的大小。當按下快門后，光學(xué)鏡頭可將光線聚焦到影像傳感器上，這種CCD/CMOS半導(dǎo)體器件代替了傳統(tǒng)相機中膠卷的位置，它可將捕捉到的景物

2、光信號轉(zhuǎn)換為電信號。此時就得到了對應(yīng)于拍攝景物的電子圖像，由于這時圖像文件還是模擬信號，還不能被計算機識別，所以需要通過A/D（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后才能以數(shù)據(jù)方式進行儲存。接下來微處理器對數(shù)字信號進行壓縮，并轉(zhuǎn)換為特定的圖像格式，常用的用于描述二維圖像的文件格式包括Tag TIFF（Image File Format）、RAW（Raw data Format）、FPX（Flash Pix）、JFIF（JPEG File Interchange Format）等，最后以數(shù)字信號存在的圖像文件會以指定的格式存儲到內(nèi)置存儲器中，那么一張數(shù)碼相片就完成拍攝了，此時通過LCD（液晶顯示器）

3、可以查看所拍攝到的照片。前面只是簡單介紹了其大致的過程，下面結(jié)合圖1-1來詳細地介紹相片成像的整個過程。圖1-1  成像原理示意圖（1）當使用數(shù)碼相機拍攝景物時，景物反射的光線通過數(shù)碼相機的鏡頭透射到CD上。（2）當CCD曝光后，光電二極管受到光線的激發(fā)而釋放出電荷，生成感光元件的電信號。（3）CCD控制芯片利用感光元件中的控制信號線路對發(fā)光二極管產(chǎn)生的電流進行控制，由電流傳輸電路輸出，CCD會將一次成像產(chǎn)生的電信號收集起來，統(tǒng)一輸出到放大器。（4）經(jīng)過放大和濾波后的電信號被傳送到ADC，由ADC將電信號（模擬信號）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)值的大小和電信號的強度與電壓的高低成正比，這些數(shù)值

4、其實也就是圖像的數(shù)據(jù)。（5）此時這些圖像數(shù)據(jù)還不能直接生成圖像，還要輸出到DSP（數(shù)字信號處理器）中，在DSP中，將會對這些圖像數(shù)據(jù)進行色彩校正、白平衡處理，并編碼為數(shù)碼相機所支持的圖像格式、分辨率，然后才會被存儲為圖像文件。（6）當完成上述步驟后，圖像文件就會被保存到存儲器上,我們就可以欣賞了。1.2  數(shù)碼相機的基本部件無論是哪種款式的數(shù)碼相機，大都包括圖1-2、圖1-3出示的基本組件。圖1-2  數(shù)碼相機正面圖1-3  數(shù)碼相機背面鏡頭鏡頭是一部相機的重要組件之一，可以說是相機的靈魂，數(shù)碼相機采用什么鏡頭是一個非常重要的參數(shù)，也是區(qū)分不同檔次相機的重要指標。

5、如圖1-4所示為索尼DSC-F828機型上采用的卡爾·蔡司鏡頭。圖1-4  索尼DSC-F828機型上采用的卡爾·蔡司鏡頭雖然由于感光元件分辨率有限，對鏡頭的光學(xué)分辨率要求也比較低，但由于普通數(shù)碼相機的影像傳感器要比傳統(tǒng)膠片的面積小得多，因此鏡頭的解析度需要很高，一般來說，數(shù)碼相機采用的光學(xué)鏡頭的解析能力一定要優(yōu)于感光元件的分辨率。例如，對于某一確定的被攝目標，水平方向需要100個像素才能完美再現(xiàn)其細節(jié)，如果成像寬度為10mm，則光學(xué)分辨率為10線/mm的鏡頭完全能夠勝任；若成像寬度為1mm，則要求鏡頭的光學(xué)分辨率必須在100線/mm以上。傳統(tǒng)膠卷對紫外線比較敏感

6、，進行外拍時經(jīng)常需要加裝UV鏡，而CCD對紅外線比較敏感，在鏡頭上增加特殊的鍍層或外加濾鏡會大大提高成像質(zhì)量。另外，鏡頭的物理口徑也是一個需要考慮的因素，無論鏡頭的相對口徑如何，其物理口徑越大，光通量就越大，成像質(zhì)量也就越好。一個好的鏡頭可以使影像清晰細膩、色彩準確、減小變形，若要想得到較高品質(zhì)的圖像效果，可選擇具備大口徑、多片多組、包含非球面透鏡和優(yōu)質(zhì)鍍膜的高質(zhì)量鏡頭，可加裝濾鏡的數(shù)碼相機。鏡頭表面的標志如圖1-5所示。圖1-5  鏡頭目前市場上數(shù)碼相機的鏡頭主要包括兩個系列，一個是佳能、尼康等品牌的日本鏡頭，其性能好，價格高；另一個是卡爾·蔡司、萊卡等品牌的德國鏡頭，該

7、類產(chǎn)品的成像質(zhì)量很高，其價格也相對較昂貴。閃光燈閃光燈是增加曝光量的方式之一，尤其在光線較暗的場合，利用閃光燈可以使景物更加明亮。圖1-6、圖1-7示出了數(shù)碼相機的內(nèi)置閃光燈。數(shù)碼相機內(nèi)置的閃光燈一般有三種模式，即自動閃光、強制閃光和關(guān)閉閃光，有的相機還具有消除紅眼、慢速同步閃光等功能，下面分別介紹一下這些閃光燈的不同模式。1自動閃光一般情況下，普通數(shù)碼相機在默認設(shè)置時，閃光燈模式都預(yù)置在“自動閃光”模式下。這時，相機會自動判斷拍攝周圍的光線是否充足，如果檢測到光線不足，在拍攝時就會自動打開閃光燈進行閃光，以彌補光線不足。在該模式下可以完成大部分的拍攝任務(wù)。2強制閃光它是指無論在強光或弱光環(huán)境

8、中，都開啟閃光燈進行閃光。該模式常用于對背對光源的人物進行拍攝。例如拍攝一個光線較暗房間內(nèi)的人物，若人物背對著明亮的窗戶，人物正面的光線不足，這樣拍攝出來人物可能處于陰影中，圖像不太清晰，遇到這種情況時，可以啟動強制閃光模式，給主體正面補光，這樣就可以得到受光均勻的照片。圖1-6  索尼數(shù)碼相機的內(nèi)置閃光燈圖1-7  內(nèi)置閃光燈3關(guān)閉閃光它是指無論周圍拍攝環(huán)境的光線強度如何，都不啟動閃光燈，該功能適用于一些禁止使用閃光的場合，如音樂會、博物館等。如果需要拍攝一些特殊效果的相片，關(guān)閉閃光燈后在黃昏或光線微弱的環(huán)境中拍攝，可以得到氛圍自然的畫面。4消除紅眼所謂紅眼，是指數(shù)碼相機

9、在閃光燈模式下拍攝人物特寫時，在照片上人眼的瞳孔呈現(xiàn)紅色斑點的現(xiàn)象。要避免紅眼發(fā)生，可打開數(shù)碼相機的“消除紅眼”模式，先讓閃光燈快速閃爍一次或數(shù)次，使人眼瞳孔縮小并適應(yīng)之后，再進行正式的閃光與拍攝。5慢速同步閃光慢速同步閃光是相機與閃光燈配合而實現(xiàn)的一種高級功能，當在光線較暗的環(huán)境下拍照時，如早晨、傍晚或者有一定燈光照明的晚上，如果使用閃光燈加較快的快門速度進行拍攝，可能會出現(xiàn)前景主體太亮，而背景灰暗，無法辨認更多細節(jié)的現(xiàn)象，而啟用慢速同步閃光功能則會降低相機的快門釋放速度，以閃光燈照明前景，配合慢速快門為弱光背景曝光，這樣，可以保證主體曝光正常的同時使背景適當曝光，以拍攝出前后景都和諧曝光的

10、照片。慢同步具有前同步和后同步兩種模式，前同步是指在快門完全開啟后立即閃光，它便于捕捉拍攝時機，適合于一般情況下使用，如拍攝人物的神態(tài)等；后同步是指在快門將要關(guān)閉的時候閃光，它可以拉出動態(tài)物體的運動軌跡，形成強烈的動感效果，所以適合于拍攝動態(tài)的對象。數(shù)碼相機內(nèi)置的閃光燈覆蓋范圍有限，只能滿足普通的拍攝需要，若用戶需要獲得更寬廣的閃光燈覆蓋范圍，并且相機上又有閃光燈熱靴接口的話，可以考慮購買大指數(shù)的外接閃光燈。取景器數(shù)碼相機上使用的取景器有多種類型，包括LCD取景器、單反式取景器、旁軸式取景器等，下面分別進行介紹。1LCD取景器LCD（Liquid Crystal Display），即液晶顯示屏

11、。數(shù)碼相機上的LCD屏幕可以顯示所選定光圈、快門等各種拍攝參數(shù)，以及相機目前的狀態(tài)及模式，如電池的電量、閃光燈的模式等。圖1-8出示了佳能PowerShot G6相機機背的高亮度液晶顯示屏。圖1-8  佳能PowerShot G6LCD屏幕有黑色和白色兩種類型，彩色又分為偽彩和真彩兩種，其中偽彩價格便宜，但顯示效果差；數(shù)碼相機中用于取景和回放的LCD都是質(zhì)量較高的TFT真彩。在TFT LCD中又包括反射和透射兩種，反射式反射正面的環(huán)境光工作，從不同角度觀察差別較大，顯示較暗，但具有省電、造價低等優(yōu)點；透射式依靠背后的燈光進行工作，角度變化小，顯示較亮，但耗電量較大。作為大多數(shù)數(shù)碼相機

12、必備的取景方式，利用LCD取景可以改正傳統(tǒng)相機取景的缺點，它可以回放照片，隨時顯示相機存儲器中記錄的全部照片影像，對于不滿意的作品可以刪除后重新拍攝，這樣可最大限度地節(jié)省存儲空間，并且可以及時地發(fā)現(xiàn)諸如構(gòu)圖取景、用光等方面較明顯的問題。有的數(shù)碼相機還設(shè)計了可以旋轉(zhuǎn)的LCD屏幕，這樣使原來很困難的取景工作變得十分輕松，例如要拍攝靠近地面的植物的特寫鏡頭時，不用像使用傳統(tǒng)相機一樣趴在地上，只需將相機放低，然后將LCD屏幕翻過來即可。而一個人獨立外出旅行時，可以將鏡頭對準自己，將LCD屏幕轉(zhuǎn)過來，自己給自己來個特寫。但使用LCD取景也是有缺點的，首先是它耗電量非常大，幾乎要占據(jù)整部相機的1/3以上的

13、電量，長時間開啟的話，會使電池工作時間大大縮短；其次是某些數(shù)碼相機LCD顯示屏的亮度和色彩還原有些誤差，在LCD屏幕上顯示的效果與最終在計算機顯示器上的實際影像差異較大，即使是百萬像素的LCD看上去畫面依然很粗糙，無法查看拍攝主體的一些細節(jié)。另外，LCD取景器在取景時總會有一定的延遲現(xiàn)象，而且在強光下無法使用，色彩和亮度偏差也較大。不過現(xiàn)在數(shù)碼相機幾乎同時配備有普通光學(xué)取景和LCD取景，用戶可根據(jù)具體的情況進行選擇。2單反式取景器單鏡頭反光式（SLR）取景器，其光學(xué)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制作成本較高，一般用于專業(yè)數(shù)碼單反相機上，是一種沒有誤差的光學(xué)取景方式，如圖1-9所示。在這種系統(tǒng)中，反光鏡和棱鏡采

14、用非常獨特的設(shè)計，使操作者可以從取景器中直接觀察到通過鏡頭選取的影像，取景器的取景范圍可達到實拍畫面的95%，但如果鏡頭的最小相對孔徑較小的話，取景器就會很暗，影響手動對焦，而相機上提供的自動對焦功能可以有效彌補這一不足。使用TTL單反取景器為了不至于過暗，廠家往往會使用大口徑的高級鏡頭，所以一般用于一些專業(yè)或半專業(yè)相機上，如奧林巴斯品牌的一些高端民用數(shù)碼相機上常用這種取景器。3旁軸式取景器普通數(shù)碼相機多采用旁軸式光學(xué)平視取景器，這種取景方式結(jié)構(gòu)簡單、視野明亮、不影響拍攝過程，其生產(chǎn)成本較低、使用歷史悠久。如圖1-10所示，當使用此類取景器拍攝時，被拍攝景物的光線直接從相機正面的取景窗口射入，

15、然后從相機背面的取景器進入被觀察者的眼睛，相當于在機體上開個小孔，再裝上透鏡使眼睛能夠透過相機機體觀察前方的景物，其路線相當簡單明了。圖1-9  單反式取景器圖1-10  旁軸式取景器由于該類型取景器的取景窗口與鏡頭的位置是分開的，所以從取景器中看到的圖像和實際拍攝的圖像存在一定的誤差，這種大小和位置上的差異在攝影中稱為視差，在進行遠距離拍攝時視差較小，而近距離拍攝時視差就很明顯。4EVF電子取景器它是將一塊微型LCD放置到取景器內(nèi)部，在取景時，相機機身、眼罩以及攝影師的頭部都會遮擋光線，所以外界光線對其影響不是太大，取景器還設(shè)置了一組取景目鏡，將微型LCD的顯示內(nèi)容放大到

16、一定的倍數(shù)，以適應(yīng)人的眼睛。如圖1-11所示，將這塊LCD的面積盡可能地縮小，可以降低耗電量和生產(chǎn)成本，雖然取景器中的畫面視角和色彩效果與最終效果存在一定的誤差，但在使用一段時間后還是能夠適應(yīng)的。圖1-11  EVF電子取景器影像傳感器目前數(shù)碼相機所使用的影像傳感器有CCD和CMOS兩種類型，前者技術(shù)已經(jīng)很成熟，后者是新興的技術(shù)，代表未來的發(fā)展方向。CCD（Chagre Couled Device），即電荷耦合器，如圖1-12所示。目前被廣泛應(yīng)用于大部分數(shù)碼相機上，這是一種特殊的半導(dǎo)體材料，它由大量獨立的光敏元件組成，這些光敏元件通常按矩陣排列。光線透過鏡頭照射到CCD上，并轉(zhuǎn)換成電

17、荷，每個元件上的電荷量取決于其受到的光照強度。當攝影者按動快門時，CCD可將各個元件的信息傳送到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器上，然后將模擬電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，數(shù)字信號再以一定的格式壓縮后存入緩存內(nèi)，這樣就完成了數(shù)碼相片的整個拍攝。CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor），即互補金屬氧化物半導(dǎo)體，它在微處理器和閃存等半導(dǎo)體技術(shù)上占有重要的地位，也是一種可用來感受光線變化的半導(dǎo)體，其組成元素主要是硅和鍺，通過CMOS上帶負電和帶正電的晶體管來實現(xiàn)基本功能。這兩個互補效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。由于CMOS結(jié)構(gòu)相對簡單，與現(xiàn)有的大規(guī)模集成電路生產(chǎn)工藝相同，從而生產(chǎn)成本可以降低，理論上講，CMOS的信號是以點為單位的電荷信號，CCD是以行為單位的電流信號，相比較而言，前者更為敏感、速度更快、更為省電。圖1-12  CCD感光元件目前CMOS技術(shù)發(fā)展還不成熟，這種高質(zhì)量的CMOS還只應(yīng)用于一些專業(yè)的數(shù)碼相機上，而在一些低檔數(shù)碼相機上常使用廉價低檔的