數(shù)碼相機的組成及原理解析

1、數(shù)碼相機的組成及原理解析與傳統(tǒng)的膠片相機相比,數(shù)碼相機的圖像傳感器件(CCD或CMOS)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器件(ADC)、數(shù)碼信號處理器件(DSP)以及輸出接口等,都是傳統(tǒng)相機所沒有的.此外,數(shù)碼相機使用的LCD液晶取景器和電子存儲器(卡),也是傳統(tǒng)相機所不具備的.本文擬通過剖析與闡述數(shù)碼相機的重要部件及其特性,以幫助各位同仁多層次地了解數(shù)碼相機的組成原理,相信不無裨益.1、數(shù)碼相機的透鏡系統(tǒng)CCD面積的大小差別對透鏡的設(shè)計與開發(fā)有重大的影響,因為必須真實清晰地記錄極小的圖像.度量這種極細(xì)致的描寫能力的特性指標(biāo),我們稱之為透鏡的分辨率,例如我們常用的35mm傳統(tǒng)相機透鏡中心的分辨率,目測測定為100

2、線/mm左右,這就是說在1mm見方的面積上可讀取100條線.200萬像素級的數(shù)碼相機中使用的攝像透鏡,其分辨率一般都可超過200線/mm,拍攝非常細(xì)微物體的能力是數(shù)碼相機追求的目標(biāo).透鏡的物理尺寸越小,研制越困難.光學(xué)物理特性決定小的透鏡難以通暢地通過光線.小透鏡不僅設(shè)計難度大,而且組裝精度也要求高.CCD和透鏡的組裝調(diào)整困難,一度是數(shù)碼相機遲遲不能上市的原因之一.數(shù)碼相機透鏡的開發(fā)和設(shè)計需要非常高超的最新技術(shù),這也是造成其昂貴的原因之一.在數(shù)碼相機透鏡結(jié)構(gòu)中要特別說明的是透鏡結(jié)構(gòu)的最終端,即CCD前的低通濾波器.它是光學(xué)濾波器中的一種,其作用是濾除空間頻率中的高頻成分,使圖像發(fā)暈,這可以預(yù)防

3、圖像細(xì)部出現(xiàn)擬色效應(yīng)(即圖像最亮部出現(xiàn)原來沒有的顏色).2、CCD-數(shù)碼相機的關(guān)鍵部位 CCD是與普通相機中的膠片相當(dāng)?shù)碾娮悠骷?在數(shù)碼相機中起著十分重要的作用.它接受從攝影透鏡來的光信號,并把它轉(zhuǎn)換為電信號.由CCD產(chǎn)生的電信號被輸出并變?yōu)閳D像.傳輸各像素的通路稱為傳輸通路. CCD結(jié)構(gòu)可分為幀傳送方式(Frame Transfer, FT)和掃描方式(簡稱IF)兩大類.FT方式多用在高像素的高端數(shù)碼相機中,如Canon的EOSD2000(用柯達(dá)制的CCD)數(shù)碼相機.現(xiàn)在的普及型數(shù)碼相機主要采用逐行掃描IL方式.這兩種方式的差別在于有無傳輸通路.FT的每個受光組件兼起傳輸通路的作用.而IL則

4、有專用的傳輸通路.兩種相機的優(yōu)缺點就由這種差別引起的. 從CCD的開口率看,FT方式要有利得多.IL方式為防止靈敏度下降,每個像素都有以聚光為目的的微透鏡.而FT方式?jīng)]有傳輸通路,沒有微透鏡.因此每一個象素面積增大、生產(chǎn)成本降低.靈敏度特性的高低順序是FT方式IL方式.IL方式又分為隔行掃描方式(Interlace Scanning)和逐行掃描方式(Progressive Scanning).兩種方式靈敏度相比較,隔行方式逐行方式.受光組件的尺寸,如以FT方式為1,則隔行掃描方式為2/3,逐行方式為1/2,靈敏度與受控組件的尺寸成正比. 由此可見,FT是面向高動態(tài)范圍的數(shù)碼相機的方式,但迄今為

5、止使用的CCD幾乎都用IL方式,因而具有良好的生產(chǎn)業(yè)績,這是它的優(yōu)點,缺點方面,由于FT方式中象素傳輸通路是合用的,只要有一個像素有缺陷,那么縱向一列的信息就接收不到.因此,生產(chǎn)過程中成品率低,制造成本高.此外,如果要使顯示器再生,則需要配存儲器.因此,CCD整體的封裝尺寸變大.在IL方式中受光部分和傳輸通路都要占用面積,因而開口率難以提高. 舉例來說,200萬象素級的1/2英寸CCD的生產(chǎn)采用4m的工藝.現(xiàn)在的工藝極限為3m.假定要維持目前的開口率的條件下生產(chǎn)1/2英寸級的CCD,那么其靈敏度會很低.即使是IL方式,隨著象素的增加,生產(chǎn)的成品率會很低. 3、原色和補色濾光器普及型數(shù)碼相機幾乎

6、都是使用一個CCD的曝光型(One Shot)數(shù)碼相機.與其它類型的數(shù)碼相機相比較,其優(yōu)點是拍攝時間短,處理容易.但為獲得彩色圖像,必須將有效象素中的各種顏色分散.原色系和補色系濾光器就是用來分散各種顏色的.原色濾光器通過RGB濾光器接受光線,補色系通過CMYG濾光器接受光線,并產(chǎn)生彩色圖像.原色濾光器是以液晶顯示器和個人計算機顯示器等顯示組件顯示RGB色,因此顏色的再現(xiàn)性優(yōu)良,顏色鮮艷.補色濾光器靈敏度較高,但必須由C-Y=B、M-Y=R和G=G的補色還原成原色,因而未必能獲得與原色完全相同的色再現(xiàn),但圖像處理技術(shù)在進(jìn)步,這個問題實用上不成問題.最近有一種,CCD尺寸減小,分辨率提高和有效靈

7、敏度降低.采用補色的數(shù)碼相機將會越來越多.4、DSP-數(shù)碼相機的心臟數(shù)碼相機除了光學(xué)透鏡系統(tǒng)外幾乎全由電子電路控制.基本的信號處理過程非常簡單.由CCD送來的電信號通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)碼信號,然后送入具有信號處理能力的DSP(Digital Signal Processor,數(shù)碼信號處理器).DSP是數(shù)碼相機的心臟部分,其處理電路通過參數(shù)調(diào)整最終決定圖像質(zhì)量.DSP中隱藏了各公司獨有的圖像處理技術(shù)和知識.DSP處理工作量很大,一般都設(shè)計成專用的硬件.信號進(jìn)一步送給離散余弦轉(zhuǎn)換器件DCT進(jìn)行JPEG壓縮,然后通過接口電路記錄到位于最后一級的存儲器.除了這些處理電路外,硬件控制還使用CPU,在富士公

8、司的Fineoix2700數(shù)碼相機中用了兩個CPU(RISC型)對硬件進(jìn)行控制.最新的200萬象素級的數(shù)碼相機, 幾乎都采用了某種ASIC(Application Special Integrated Circuit,專用集成電路).盡管做成ASIC的部分因公司而異,但基本上都把處理負(fù)荷的部分做成一塊芯片以實現(xiàn)高速化.同時需要驅(qū)動電壓的部分集成化,可使耗電減小.耗電量與芯片數(shù)的平方成正比,因而單片化使耗電量急劇降低,是目前解決數(shù)碼相機耗電過大的一個有效因素.5、存儲媒體數(shù)碼相機的常用存儲媒體有三種.它們是SM(Smart Media)、存儲盤(MD, Memory Disc)、緊湊快閃存儲器(

9、Compact Flash Card, CF卡).CF卡的缺點是寫入時間與讀出時間之比為3:1,在同樣的情形里,讀寫速度相同,寫入速度高達(dá)每秒5-10個片斷,是面向高速記錄的媒體.驅(qū)動馬達(dá)需用的電源,CF為3.3V,約70-100mA,而MD為3.3mA.單單三節(jié)堿電池已不夠用,廠家正在探討在相機中安裝鋰離子電池.已有工作模型和樣機上市.6.圖像文件的兼容性數(shù)碼相機記錄的圖像文件的兼容性至今常受到種種指摘.圖像文件本身都已在JPEG基礎(chǔ)上統(tǒng)一了,但在文件結(jié)構(gòu)的處理方面各公司都往往自行其是,沒有統(tǒng)一.最近出臺了DCF和DPOF規(guī)范,使數(shù)碼相機業(yè)界有章可循.DCF是決定圖像文件和文件系統(tǒng)的規(guī)范,而

10、DPOF是決定打印信息處理的規(guī)范.兩者都保證對數(shù)碼相機之間的文件兼容性.200萬像素級的最新機型全都支持DCF和DPOF.今后使用相同記錄媒體的不同機種,通過數(shù)據(jù)傳遞就可以在自己的機器上看到對方拍攝的圖像.此外,在實驗室或其它場合的打印服務(wù),只通過傳遞就可以打印文件(不必寫入文件),十分方便. 7.液晶顯示器的結(jié)構(gòu)拍攝的圖像用液晶顯示器是數(shù)碼相機的一個優(yōu)點.數(shù)碼相機中用的液晶顯示器可以分為三種類型:背光型(通常型)、反射型和采光型,不管哪種類型,它們都采用各種各樣低耗電結(jié)構(gòu).液晶本身是不發(fā)光的器件,因此要用背光從其背后照明.即使在室內(nèi)液晶顯示器也可以得到最好的顏色的對比度.外部光線很強時,靠背

11、光很難得到清晰顯示.與之相反,反射型和采光型顯示器主動采入外部光線并把它用于液晶顯示.反射型顯示器在液晶的背后有一個反射外光的反射鏡.東芝公司的PDR-5等數(shù)碼相機采用了這種反射型液晶顯示器,而SONY的Cybershot F-55K中則采用了背光和反射相混合的混合型液晶顯示器.明亮?xí)r把背光切斷而只用反射型液晶顯示器,這樣可以削減電耗.反射型液晶顯示器的優(yōu)點是外光越強,顯示的對比度越高,越易看見.采光型液晶顯示器與反射型相似,但它通過采光窗口采入外部光線.一般來說,采光型液晶顯示器比反射型顏色好,對比度高.8、數(shù)碼相機詞語解釋:開口率: 象素與象素之間的間距(Ptch)與發(fā)光二極管(受光組件)本身大小的比例關(guān)系.開口率越大,說明受光組件的面積越大(無效面積越小),靈敏度越高.初期的35萬象素級的數(shù)碼相機所以能不用閃光燈就可在暗處拍攝,是因為當(dāng)時使用的CCD的開口率很高.現(xiàn)在開口率已相對減小,可用閃光燈的相型增多.DSP: Digital Signal Processor (數(shù)碼信號處理器)的縮寫.將圖像和聲音等仿真信號轉(zhuǎn)換成數(shù)碼信號并進(jìn)行濾波等處理用的電路.DCT: Discrete Cosine Transform(離散余弦變換