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  • 照相机成像原理 数码相机的成像原理

    照相机成像原理 数码相机的成像原理


    1.1 数码相机的成像原理

    当打开相机的电源开关后,主控程序芯片开始检查整个相机,确定各个部件是否处于可工作状态。如果一切正常,相机将处于待命状态;若某一部分出现故障,LCD屏上会显示一个错误信息,并使相机完全停止工作。

    当用户对准拍摄目标,并将快门按下一半时,相机内的微处理器开始工作,以确定对焦距离、快门的速度和光圈的大小。当按下快门后,光学镜头可将光线聚焦到影像传感器上,这种CCD/CMOS半导体器件代替了传统相机中胶卷的位置,它可将捕捉到的景物光信号转换为电信号。

    此时就得到了对应于拍摄景物的电子图像,由于这时图像文件还是模拟信号,还不能被计算机识别,所以需要通过A/D(模/数转换器)转换成数字信号,然后才能以数据方式进行储存。接下来微处理器对数字信号进行压缩,并转换为特定的图像格式,常用的用于描述二维图像的文件格式包括Tag TIFF(Image File Format)、RAW(Raw data Format)、FPX(Flash Pix)、JFIF(JPEG File Interchange Format)等,最后以数字信号存在的图像文件会以指定的格式存储到内置存储器中,那么一张数码相片就完成拍摄了,此时通过LCD(液晶显示器)可以查看所拍摄到的照片。

    前面只是简单介绍了其大致的过程,下面结合图1-1来详细地介绍相片成像的整个过程。


    图1-1  成像原理示意图

    (1)当使用数码相机拍摄景物时,景物反射的光线通过数码相机的镜头透射到CD上。

    (2)当CCD曝光后,光电二极管受到光线的激发而释放出电荷,生成感光元件的电信号。

    (3)CCD控制芯片利用感光元件中的控制信号线路对发光二极管产生的电流进行控制,由电流传输电路输出,CCD会将一次成像产生的电信号收集起来,统一输出到放大器。

    (4)经过放大和滤波后的电信号被传送到ADC,由ADC将电信号(模拟信号)转换为数字信号,数值的大小和电信号的强度与电压的高低成正比,这些数值其实也就是图像的数据。

    (5)此时这些图像数据还不能直接生成图像,还要输出到DSP(数字信号处理器)中,在DSP中,将会对这些图像数据进行色彩校正、白平衡处理,并编码为数码相机所支持的图像格式、分辨率,然后才会被存储为图像文件。

    (6)当完成上述步骤后,图像文件就会被保存到存储器上,我们就可以欣赏了。

    1.2  数码相机的基本部件

    无论是哪种款式的数码相机,大都包括图1-2、图1-3出示的基本组件。


    图1-2  数码相机正面


    图1-3  数码相机背面

    1.2.1  镜头

    镜头是一部相机的重要组件之一,可以说是相机的灵魂,数码相机采用什么镜头是一个非常重要的参数,也是区分不同档次相机的重要指标。


    图1-4

    虽然由于感光元件分辨率有限,对镜头的光学分辨率要求也比较低,但由于普通数码相机的影像传感器要比传统胶片的面积小得多,因此镜头的解析度需要很高,一般来说,数码相机采用的光学镜头的解析能力一定要优于感光元件的分辨率。例如,对于某一确定的被摄目标,水平方向需要100个像素才能完美再现其细节,如果成像宽度为10mm,则光学分辨率为10线/mm的镜头完全能够胜任;若成像宽度为1mm,则要求镜头的光学分辨率必须在100线/mm以上。

    传统胶卷对紫外线比较敏感,进行外拍时经常需要加装UV镜,而CCD对红外线比较敏感,在镜头上增加特殊的镀层或外加滤镜会大大提高成像质量。另外,镜头的物理口径也是一个需要考虑的因素,无论镜头的相对口径如何,其物理口径越大,光通量就越大,成像质量也就越好。一个好的镜头可以使影像清晰细腻、色彩准确、减小变形,若要想得到较高品质的图像效果,可选择具备大口径、多片多组、包含非球面透镜和优质镀膜的高质量镜头,可加装滤镜的数码相机。镜头表面的标志如图1-5所示。


    图1-5  镜头

    1.2.2  闪光灯

    闪光灯是增加曝光量的方式之一,尤其在光线较暗的场合,利用闪光灯可以使景物更加明亮。图1-6、图1-7示出了数码相机的内置闪光灯。数码相机内置的闪光灯一般有三种模式,即自动闪光、强制闪光和关闭闪光,有的相机还具有消除红眼、慢速同步闪光等功能,下面分别介绍一下这些闪光灯的不同模式。

    1.自动闪光

    一般情况下,普通数码相机在默认设置时,闪光灯模式都预置在“自动闪光”模式下。这时,相机会自动判断拍摄周围的光线是否充足,如果检测到光线不足,在拍摄时就会自动打开闪光灯进行闪光,以弥补光线不足。在该模式下可以完成大部分的拍摄任务。

    2.强制闪光

    它是指无论在强光或弱光环境中,都开启闪光灯进行闪光。该模式常用于对背对光源的人物进行拍摄。例如拍摄一个光线较暗房间内的人物,若人物背对着明亮的窗户,人物正面的光线不足,这样拍摄出来人物可能处于阴影中,图像不太清晰,遇到这种情况时,可以启动强制闪光模式,给主体正面补光,这样就可以得到受光均匀的照片。


    图1-6


    图1-7  内置闪光灯

    3.关闭闪光

    它是指无论周围拍摄环境的光线强度如何,都不启动闪光灯,该功能适用于一些禁止使用闪光的场合,如音乐会、博物馆等。如果需要拍摄一些特殊效果的相片,关闭闪光灯后在黄昏或光线微弱的环境中拍摄,可以得到氛围自然的画面。

    4.消除红眼

    所谓红眼,是指数码相机在闪光灯模式下拍摄人物特写时,在照片上人眼的瞳孔呈现红色斑点的现象。要避免红眼发生,可打开数码相机的“消除红眼”模式,先让闪光灯快速闪烁一次或数次,使人眼瞳孔缩小并适应之后,再进行正式的闪光与拍摄。

    5.慢速同步闪光

    慢速同步闪光是相机与闪光灯配合而实现的一种高级功能,当在光线较暗的环境下拍照时,如早晨、傍晚或者有一定灯光照明的晚上,如果使用闪光灯加较快的快门速度进行拍摄,可能会出现前景主体太亮,而背景灰暗,无法辨认更多细节的现象,而启用慢速同步闪光功能则会降低相机的快门释放速度,以闪光灯照明前景,配合慢速快门为弱光背景曝光,这样,可以保证主体曝光正常的同时使背景适当曝光,以拍摄出前后景都和谐曝光的照片。

    慢同步具有前同步和后同步两种模式,前同步是指在快门完全开启后立即闪光,它便于捕捉拍摄时机,适合于一般情况下使用,如拍摄人物的神态等;后同步是指在快门将要关闭的时候闪光,它可以拉出动态物体的运动轨迹,形成强烈的动感效果,所以适合于拍摄动态的对象。

    数码相机内置的闪光灯覆盖范围有限,只能满足普通的拍摄需要,若用户需要获得更宽广的闪光灯覆盖范围,并且相机上又有闪光灯热靴接口的话,可以考虑购买大指数的外接闪光灯。

    1.2.3  取景器

    数码相机上使用的取景器有多种类型,包括LCD取景器、单反式取景器、旁轴式取景器等,下面分别进行介绍。

    1.LCD取景器

    LCD(Liquid Crystal Display),即液晶显示屏。数码相机上的LCD屏幕可以显示所选定光圈、快门等各种拍摄参数,以及相机目前的状态及模式,如电池的电量、闪光灯的模式等。


    图1-8

    LCD屏幕有黑色和白色两种类型,彩色又分为伪彩和真彩两种,其中伪彩价格便宜,但显示效果差;数码相机中用于取景和回放的LCD都是质量较高的TFT真彩。在TFT LCD中又包括反射和透射两种,反射式反射正面的环境光工作,从不同角度观察差别较大,显示较暗,但具有省电、造价低等优点;透射式依靠背后的灯光进行工作,角度变化小,显示较亮,但耗电量较大。

    作为大多数数码相机必备的取景方式,利用LCD取景可以改正传统相机取景的缺点,它可以回放照片,随时显示相机存储器中记录的全部照片影像,对于不满意的作品可以删除后重新拍摄,这样可最大限度地节省存储空间,并且可以及时地发现诸如构图取景、用光等方面较明显的问题。有的数码相机还设计了可以旋转的LCD屏幕,这样使原来很困难的取景工作变得十分轻松,例如要拍摄靠近地面的植物的特写镜头时,不用像使用传统相机一样趴在地上,只需将相机放低,然后将LCD屏幕翻过来即可。而一个人独立外出旅行时,可以将镜头对准自己,将LCD屏幕转过来,自己给自己来个特写。

    但使用LCD取景也是有缺点的,首先是它耗电量非常大,几乎要占据整部相机的1/3以上的电量,长时间开启的话,会使电池工作时间大大缩短;其次是某些数码相机LCD显示屏的亮度和色彩还原有些误差,在LCD屏幕上显示的效果与最终在计算机显示器上的实际影像差异较大,即使是百万像素的LCD看上去画面依然很粗糙,无法查看拍摄主体的一些细节。另外,LCD取景器在取景时总会有一定的延迟现象,而且在强光下无法使用,色彩和亮度偏差也较大。不过现在数码相机几乎同时配备有普通光学取景和LCD取景,用户可根据具体的情况进行选择。

    2.单反式取景器

    单镜头反光式(SLR)取景器,其光学结构比较复杂,制作成本较高,一般用于专业数码单反相机上,是一种没有误差的光学取景方式,如图1-9所示。在这种系统中,反光镜和棱镜采用非常独特的设计,使操作者可以从取景器中直接观察到通过镜头选取的影像,取景器的取景范围可达到实拍画面的95%,但如果镜头的最小相对孔径较小的话,取景器就会很暗,影响手动对焦,而相机上提供的自动对焦功能可以有效弥补这一不足。使用TTL单反取景器为了不至于过暗,厂家往往会使用大口径的高级镜头,所以一般用于一些专业或半专业相机上,如奥林巴斯品牌的一些高端民用数码相机上常用这种取景器。

    3.旁轴式取景器

    普通数码相机多采用旁轴式光学平视取景器,这种取景方式结构简单、视野明亮、不影响拍摄过程,其生产成本较低、使用历史悠久。如图1-10所示,当使用此类取景器拍摄时,被拍摄景物的光线直接从相机正面的取景窗口射入,然后从相机背面的取景器进入被观察者的眼睛,相当于在机体上开个小孔,再装上透镜使眼睛能够透过相机机体观察前方的景物,其路线相当简单明了。


    图1-9  单反式取景器


    图1-10  旁轴式取景器

    由于该类型取景器的取景窗口与镜头的位置是分开的,所以从取景器中看到的图像和实际拍摄的图像存在一定的误差,这种大小和位置上的差异在摄影中称为视差,在进行远距离拍摄时视差较小,而近距离拍摄时视差就很明显。

    4.EVF电子取景器

    它是将一块微型LCD放置到取景器内部,在取景时,相机机身、眼罩以及摄影师的头部都会遮挡光线,所以外界光线对其影响不是太大,取景器还设置了一组取景目镜,将微型LCD的显示内容放大到一定的倍数,以适应人的眼睛。如图1-11所示,将这块LCD的面积尽可能地缩小,可以降低耗电量和生产成本,虽然取景器中的画面视角和色彩效果与最终效果存在一定的误差,但在使用一段时间后还是能够适应的。


    图1-11  EVF电子取景器

    1.2.4  影像传感器

    目前数码相机所使用的影像传感器有CCD和CMOS两种类型,前者技术已经很成熟,后者是新兴的技术,代表未来的发展方向。

    CCD(Chagre Couled Device),即电荷耦合器,如图1-12所示。目前被广泛应用于大部分数码相机上,这是一种特殊的半导体材料,它由大量独立的光敏元件组成,这些光敏元件通常按矩阵排列。光线透过镜头照射到CCD上,并转换成电荷,每个元件上的电荷量取决于其受到的光照强度。当摄影者按动快门时,CCD可将各个元件的信息传送到模/数转换器上,然后将模拟电信号转变为数字信号,数字信号再以一定的格式压缩后存入缓存内,这样就完成了数码相片的整个拍摄。

    CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor),即互补金属氧化物半导体,它在微处理器和闪存等半导体技术上占有重要的地位,也是一种可用来感受光线变化的半导体,其组成元素主要是硅和锗,通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本功能。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。由于CMOS结构相对简单,与现有的大规模集成电路生产工艺相同,从而生产成本可以降低,理论上讲,CMOS的信号是以点为单位的电荷信号,CCD是以行为单位的电流信号,相比较而言,前者更为敏感、速度更快、更为省电。


    图1-12  CCD感光元件

    目前CMOS技术发展还不成熟,这种高质量的CMOS还只应用于一些专业的数码相机上,而在一些低档数码相机上常使用廉价低档的CMOS,成像质量一般比较差。所以目前要购买消费级数码相机的话,建议用户最好选择以CCD为影像传感器的产品。

    1.2.5  按键

    在进行拍摄工作时,传统相机大都通过按键或者转动转盘来实现,而数码相机是通过菜单来选择功能的,某些专业数码单反相机为了适应传统相机用户的使用习惯,将一些常用功能设计成与传统相机大体一致的方式。若在进行抓拍时,直接按按键比使用菜单进行设置更加快捷,如图1-13所示。


    图1-13  数码相机操作按钮分布合理

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    之前用也不是很好的卡片相机,拍的照片,石碑上的小字放大都看得清清楚楚。后来智能手机标的像素很高,但是并不清晰。一开始以为是虚标,查了一下发现成像是否清晰和感光元件的面积大小有很大关系。 

    手机 1200 万像素和相机 1200 万像素之间有什么区别?

    作者:刘典
    链接:https://www.zhihu.com/question/21160214/answer/30641376
    来源:知乎
    著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。
     

    先要说一下数码相机的基本原理,问题自然就清晰了。数码相机的像素数量并不是由镜头决定的,而是镜头后面一个叫感光原件的东西决定,它的作用类似传统相机的胶片,负责记录镜头捕捉的图像,只是胶片用的是化学方法,感光元件用的是电子方法。感光元件排列着非常多的可以感受光线强弱的小点,这些小点就是数码相机的像素,所谓数码相机像素数量就是这些小点的数量。图像被投射到感光器件上时每个像素记录对应位置的光线强度并转化成电信号,经过处理后最后变成我们常见的照片文件,这就是数码相机的基本原理。
    感光元件类似于胶片,也有不同的尺寸,同样是1200万像素的感光元件他们的尺寸可以不同,这就是主要差别,其他的差别很多都是这个差别导致的。比如更大的感光元件就需要镜头提供更大的图像,那么镜头就必须造的很大,单反相机一般用的都是很大的感光器件,所以镜头也大。像素相同的情况下感光元件的尺寸越大那么单个像素的尺寸一定也越大,大像素的好处是可以接收更多的光线,转换成的电信号也就更准确,结果就是图像更干净清晰,尤其是在光线很弱的环境,比如晚上,效果尤为明显,网上有很多同样像素的手机和单反拍摄的照片对比,一看便知。最后一个就是面积越大越贵,这就是为啥像素相同的相机有的很便宜有的很贵的原因。很重要的一个结论是相机只谈像素数量是没有意义的,必须结合感光元件的尺寸讨论才有意义。

    为了有个直观的认识,贴一下主要感光元件的尺寸对比:

    最大的叫“全画幅”,意思是说他和传统的胶片尺寸一样大,最小的红色那个是 iPhone 4S的,而比 iPhone 4S 大一点的那个黄色的一般是用在低档数码相机上的,也就是说 iPhone 4S 还达不到很多抵挡数码相机的水平,其实 4S 在手机里已经很大了,很多手机用的更小。

    作者:刘典
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    一亿像素的手机VS两千万像素的相机,谁更能打?

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  • 【图像处理】数码相机工作原理完整解析

    万次阅读 多人点赞 2018-07-03 17:29:54
    在过去二十年里,消费电子产品的大多数重要技术突破实际上可归结于一项更大意义上的科技革命。仔细观察就会发现,CD、DVD、高清电视、MP3和DVR其实都是基于相同的...数码相机的面世,使非专业摄影师也能拍出美丽照片...

    在过去二十年里,消费电子产品的大多数重要技术突破实际上可归结于一项更大意义上的科技革命。仔细观察就会发现,CD、DVD、高清电视、MP3和DVR其实都是基于相同的原理,即:将传统的模拟信息转变为数字信息。这一技术上的根本转变完全颠覆了我们处理图像和声音信息的方式,使许多事情成为可能。

    数码相机的出现是这一转变最显著的例子——它与传统相机存在本质上的差异。数码相机的面世,使非专业摄影师也能拍出美丽照片的几率大大提高。用数码相机拍出来的照片也有着艳丽的色彩,清晰的画面,而且照片的后期处理更加方便和快捷。但数码相机是怎么工作的,以及这些工作原理和传统的胶片相机有何异同,了解的人就不是很多了。今天我们就按数码照片的形成过程,从镜头、感光元件、处理器一直到存储系统,一步一步地来了解数码相机的工作原理。

    相机的数码化历程

    数码相机的历史可以追溯到上个世纪四五十年代,电视就是在那个时候出现的。伴随着电视的推广,人们需要一种能够将正在转播的电视节目记录下来的设备。1951年宾·克罗司比实验室发明了录像机(VTR),这种新机器可以将电视转播中的电流脉冲记录到磁带上。到了1956年,录像机开始大量生产。同时,它被视为电子成像技术的诞生。

    第二个里程碑式的事件发生在二十世纪六十年代的美国宇航局。在宇航员被派往月球之前,宇航局必须对月球表面进行勘测。然而工程师们发现,由探测器传送回来的模拟信号被夹杂在宇宙里其它的射线之中,显得十分微弱,地面上的接收器无法将信号转变成清晰的图像。于是工程师们不得不另想办法。

    1970年是影像处理行业具有里程碑意义的一年,美国贝尔实验室发明了CCD。当工程师使用电脑将CCD得到的图像信息进行数字处理后,所有的干扰信息都被剔除了。后来“阿波罗”登月飞船上就安装有使用CCD的装置,这就是数码相机的原形。得益于这一技术,在“阿波罗”号登上月球的过程中,美国宇航局接收到的数字图像如水晶般清晰。

    “阿波罗”号回传的数字图像

    在这之后,数码图像技术发展得更快,主要归功于冷战期间的科技竞争。而这些技术也主要应用于军事领域,大多数的间谍卫星都使用了数码图像技术。

    在数码相机发展史上,不得不提的是索尼公司。索尼于1981年8月在一款电视摄像机中首次采用CCD,将其用作直接将光转化为数字信号的传感器。目前索尼每年生产的感光元件也占据了全球很大一部分的市场,这也正是现今索尼能够在感光元件市场上傲视群雄的一个原因,因为核心命脉掌握在自己手中。

      

    在冷战结束之后,军备科技竞赛很快地转变为了市场科技争霸。1995年,以生产传统相机和拥有强大胶片生产能力的柯达公司向市场发布了其研制成熟的民用消费型数码相机DC40。这被很多人视为数码相机市场成型的开端。DC40使用了内置为4MB的内存,不能使用其它移动存储介质,其38万像素的CCD支持生成756×504的图像,兼容Windows 3.1和DOS。苹果公司的QuickTake 100也同时在市场上推出。当时两款相机都提供了对电脑的串口连接。

    柯达DC40

    从此之后,数码相机就如雨后春笋般不断由各相机厂商推出,感光元件的像素不断增加,创意功能不断翻新,拍摄的图像效果也越来越接近并超越传统相机。

    镜头

    人类用眼睛来感知色彩缤纷的世界,而照相机则是用镜头来摄取美丽的景物。人眼中客观存在的场景实际上是一种光学信息的表达,景物反射出不同亮度和光谱的光线以显示出不同的色彩。照相机就是要把某一瞬间的光线永久保存下来,传统照相机是把这些光线转化对应为胶片上化学药剂的变化,而这些胶片也只是半成品,还需进一步的化学反应才能显影,可见传统胶片照相机的拍摄过程完全是光信号与化学信号的转换过程。

    而数码相机不管其最终的存储介质是什么,其本质是把一组一定亮度和光谱的光线转化为一堆二进制数,然后保存在某种记录介质上,属于光信号与电信号的转换。然而不论是数码相机还是传统照相机,首先接收的都是景物的光学信息,所以,光学镜头是必不可少的第一组件,被摄景物信息必须经过光学镜头才能成像到达成像器件。

    镜头的作用是将外部的目标物体反射回来的光线通过其特定的形状,汇聚折射到感光器件上。类似的工作状态有点像我们小时候在自然课上学过的用一片凸透镜聚光来产生更多的光亮。

    在通过镜头确认要拍摄的对象以后,我们把相机的镜头对准目标物体。这时,物镜或物镜组就会根据自动对焦系统的控制信号来调节它和感光器件的距离,使物体的像刚好落到感光元件上,这样才可以形成清晰的图像。而镜头的自动对焦系统的工作原理,就是我们要讨论的重点之一。

    现今的数码相机自动对焦镜头从工作原理上说大多都采用了间接实测物距方式进行对焦。它是利用一些可以被利用的间接距离测量方式来获取物距,通过运算,伺服电路驱动调节焦距的微型马达,带动调焦镜片组进行轴向移动,来达到自动调节焦距的目的。经常被利用来进行间接距离测量的方式有:无源光学基线测距、有源超声波测距、有源主动红外测距以及现代的激光技术在测量领域的应用等。

    无源光学基线测距:熟悉摄影的朋友都知道,这是一种在取景器里使用光学基线原理得到磨砂、裂像、菱锥等手段的焦距调节方式。磨砂颗粒最细腻时、景物目标在两半圆裂像环中完全吻合上、菱锥的晶体不再明显时就是被摄目标的物距调节到清晰了。

    有源超声波测距:通过发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测,使用发射出特征频率的超声波和反射回接受到特征频率的超声波所用的时间,换算出距离,也就是物距,利用伺服电路驱动调节焦距的微型马达,达到自动调焦的目的。

    有源主动红外测距以及现代激光技术测距:二者在原理上基本相似。这类方式在应用上目标精度极高,由此而来的高成本也是可想而知的。且体积一般都比较大,维护也相当困难,不过在高档摄影器材中已经有了一些使用这类技术简化版的产品出现。

    对焦过程结束后,各位摄影师就该准备按下快门永久保存下令人感动的瞬间了。那么具体的物象是如何变成一系列的光电信号的呢?让我们接着说说感光元件那些事。

    感光元件

    相比传统的胶片相机来说,数码相机最大的改变就是将感光元件从胶片转变为了CCD/CMOS。传统胶片相机使用银盐作为感光材料,即胶卷作为感光元件,拍摄后还需经过冲洗才能得到最终成片。不但无法第一时间得知最终效果而且在保存上也不太方便。而数码相机的“胶卷”就是其成像感光元件,它与相机融为一体,是数码相机的心脏。感光元件是数码相机的核心,也是最关键的技术。数码相机的发展道路,可以说就是感光元件的发展道路。目前数码相机的核心成像部件有两种:一种是CCD,一种是CMOS。

    CCD的全称是Charge Couple Device,翻译过来就是“光电荷耦合器件”,CMOS的全称是Complementary Metal-Oxide Semiconductor,是“互补金属氧化物半导体”的意思。CCD和CMOS的工作原理有一个共通点,那就是都是用光敏二极管来作为光-电信号的转化元件。

      它们每个感光元件的像素点分别对应图像传感器中的一个像点,由于感光元件只能感应光的强度,无法捕获色彩信息,因此彩色CCD/CMOS图像传感器必须在感光元件上方覆盖彩色滤光片。在这方面,不同的传感器厂商有不同的解决方案,最常用的做法是覆盖RGB红绿蓝三色滤光片,以1:2:1的构成由四个像点构成一个彩色像素(即红蓝滤光片分别覆盖一个像点,剩下的两个像点都覆盖绿色滤光片),这种解决方案就是大名鼎鼎的拜耳滤镜。

    拜耳滤镜示意图

    在接受光照之后,感光元件产生对应的电流,电流大小与光强对应,因此感光元件直接输出的电信号是模拟的。在CCD传感器中,每一个感光元件都不对此作进一步的处理,而是将它直接输出到下一个感光元件的存储单元,结合该元件生成的模拟信号后再输出给第三个感光元件,依次类推,直到结合最后一个感光元件的信号才能形成统一的输出。

    由于感光元件生成的电信号实在太微弱了,无法直接进行模数转换工作,因此这些输出数据必须做统一的放大处理。这项任务是由CCD传感器中的放大器专门负责,经放大器处理之后,每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大。但由于CCD本身无法将模拟信号直接转换为数字信号,因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理,最终以二进制数字图像矩阵的形式输出给专门的中央控制器处理芯片。

    而CMOS传感器中每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换逻辑(ADC),当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后,电信号首先被该感光元件中的放大器放大,然后直接转换成对应的数字信号。

    CCD与CMOS工作示意图

    CMOS和CCD图像传感器的主要区别就是CMOS本身就有ADC,而CCD只能使用外部的ADC。CMOS图像传感器集成的ADC能够直接将模拟的电压信号直接转换成二进制的数字信号。这些数字信号将被进一步处理后最终根据不同的色度要求形成红、绿、蓝三种色彩信道,通过相应的像素来显示出具体的颜色和深度。除此之外,还有一主要区别在于读出信号所用的方法。CCD的感光元件除了感光二极管之外,还包括一个用于控制相邻电荷的存储单元,CCD感光元件中的有效感光面积较大,在同等条件下可接收到较强的光信号,对应的输出电信号也更明晰。

    而CMOS感光元件的构成就比较复杂,除处于核心地位的感光二极管之外,它还包括放大器与模数转换电路,每个像点的构成为一个感光二极管和三颗晶体管,而感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分,造成CMOS传感器的开口率远低于CCD(开口率:有效感光区域与整个感光元件的面积比值);这样在接受同等光照及元件大小相同的情况下,CMOS感光元件所能捕捉到的光信号就明显小于CCD元件,灵敏度较低。

    体现在输出结果上,就是CMOS传感器捕捉到的图像内容不如CCD传感器来得丰富,噪点较明显,这也是早期CMOS传感器只能用于低端场合的一大原因。CMOS开口率低造成的另一个麻烦在于,它的像素点密度无法做到媲美CCD的地步,因此在传感器尺寸相同的前提下,CCD的像素规模总是高于同时期的CMOS传感器。

    但随着科技的日渐进步,CMOS的制作工艺有了大幅度的提高,已经取代了CCD成为了现今数码相机的主流感光元件。一个生动的画面通过上述复杂的机内处理,变成了一系列二进制的数字信号,感光元件的任务就此结束。下面要开始忙活的,就是相机的大脑——处理器。

    处理器

    数码相机中处理器主要分两类,中央处理器和图像处理器。前者是数码相机的大脑,数码相机的一切动作,例如开机自检、错误处理等,都由中央控制器发出。中央控制器是一块可编程的DSP(Digital Signal Processing 数字信号处理),在外围或其内部,有一个小容量的FLASH,负责存放一些程序语句。中央控制器按照这些程序语句对相机的各种操作做出反应,例如对环境的光线强度做出判断、调节感光二极管放大器的放大率、用不用闪光灯、采用何种快门速度和光圈等。

    另外的图像处理器中除了要把每一个像素点的颜色计算出来外,还要把它们按照一定的时钟周期进行排列,组成完整的图像。在某些场合还要对图像进行一定格式的压缩,使图像的容量更小。图象处理器实质上也是一块可编程的DSP处理器。事实上,图像处理器算法的好坏对处理出来的图像质量影响很大。

    在感光元件将实际景物转换为一系列二进制的数字信号后,ADC就会将数字信息流传递给数字信号处理器DSP。在DSP中,大量的数字信息经一系列预设的程序指令后整合成完整的图像。这些指令包括绘制图像传感器数据、分配每个像素的颜色和灰度。在单一传感器数字相机中,如果只有一个彩色滤镜阵列,算法程序将主要进行每个像素的颜色数据处理,通过分解临近的像素颜色来决定某一特定像素的具体色值。

    如果使用RGB颜色的话,那么组成最终图像的每个像素的颜色都可以看成是三原色的合成。在对电压/电流信号进行量化以后,图象处理器要对像素的颜色进行计算。例如,在R单元得到的数值是255,在G单元得到的是153,在B单元得到的是51,那么,图象处理器按照本身定义的算法,将以上三个值代入,得到一个R值为255、G值为153、B值为51的颜色。通过如上步骤,最终的图像才能够显示出自然的颜色。

    每个厂商设计的处理程序各不相同,他们通过各不相同的色彩平衡与色饱和度设置来生成彩色图像。数码相机还运用一个或者多个DSP以及其他设备来共同处理所得数据,以期达到完美画质,并且充分考虑消费者对画质偏好的选择权利。如果想要拍下本不需要的噪点,或者通过电子快门来实现雾化效果,这些需求制造商都是通过对算法处理程序进行相应的修正来满足的。类似的程序修正还有很多,例如图像锐化的应用,白平衡的预设等等。所以我们可以得出如下的结论——各个制造商所产数码相机的最大不同就在于图像处理过程的种种算法差异,而这也是导致各厂家影像风格不同的最主要原因。

    看到这里,大家应该知道所谓的“尼康锐、佳能魅”的原因了吧,摄影师在得到艳丽的照片后就就该琢磨怎么把它保存下来了,而这也就是照片生产过程中的最后一步——存储工作了。

    存储器

    存储器一般是数码相机的外设部分,因为数码相机的内部一般只会安装很小容量的FLASH芯片,这对拍摄高分辨率的照片来说是远远不够的。一般的外设存储器有CF(Compact Flash)、SM(Smart Media)、MMC(Multi Media Card)、SDC(Secure Digital Card)、MSD(Memory Stick Duo)、IBM的微型硬盘等。但就一般而言,这些存储器除了IBM的产品以外,其他的都是采用闪存FLASH来作为存储部件的。我们就从FLASH的内部微观结构来看它是怎么保存数据的。

    FLASH中绝缘栅MOS管的底层是一个晶体管的NP结,在这个NP结的上面有一个被场氧化物所包围的多晶硅浮空栅。这个浮空栅的“浮空”构成了MOS管的源极、漏极之间的导电沟。如果这个浮空栅上有足够的电荷存在而不用依赖电源,那么就可以使MOS管的源极、漏极导通,在断电的情况下也可以达到保存数据的目的。

    在MOS管的源极和栅极之间加一个正向的电压,使浮空栅上的电荷向源极扩散,那么源极、漏极不导通;如果在源极和栅极之间加一个正向的电压U-1,但同时也在源极和漏极之间加一个正向的电压U-2,而且U-2总是小于U-1,那么源极上的电荷就向栅极上扩散,使浮栅带上电荷,这样就可以使源极、漏极导通。因为浮栅是“浮”空的,没有放电回路,浮栅上的电荷可以在断电的情况下很长时间不向其他地方扩散,使源极和漏极保持“开/关”。

    MOS管

    这样,控制器通过一定的接口和图形处理器连接。在接到写入命令以后,可以就控制某个MOS管的源极和栅极、源极和漏极电源的开或关,使其中的MOS管导通或断开,从而达到存储数据的目的。

    看到这里,相信很多朋友已经大致了解了数码相机各部分的基本工作原理,达到了知其然也知其所以然的新境界。数码相机的平民化让更多的人享受到了摄影的乐趣,科技的不断创新也在不停地改变着人们的生活。由此可见,科技并不只是高高在上的空中楼阁,也造就了帮助我们留下永恒瞬间的随身伙伴。

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空空如也

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