數(shù)碼相機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)-第一部分(上)

1、第一部分第一部分 數(shù)碼相機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)數(shù)碼相機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)內(nèi)容提要（上）l數(shù)碼相機(jī)的功能特點(diǎn)；數(shù)碼相機(jī)的功能特點(diǎn)；l數(shù)碼相機(jī)的分類；數(shù)碼相機(jī)的分類；l數(shù)碼相機(jī)的結(jié)構(gòu)；數(shù)碼相機(jī)的結(jié)構(gòu)；l數(shù)碼相機(jī)的成像原理與成像器件；數(shù)碼相機(jī)的成像原理與成像器件；1.1 數(shù)碼相機(jī)的功能特點(diǎn)l數(shù)碼相機(jī)和傳統(tǒng)相機(jī)在外觀上，除了有屏幕預(yù)覽窗口(LCD)和更多的按鈕之外，沒(méi)有大的區(qū)別。l作為一個(gè)全數(shù)字化的產(chǎn)品，只要按動(dòng)快門，即通過(guò)圖像傳感器，將所拍攝景物的光圖像轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理，輸出存儲(chǔ)器上，生成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字影像。不要膠卷，無(wú)需沖印。數(shù)碼相機(jī)的功能特點(diǎn)l在拍攝同時(shí)，通過(guò)LCD可以預(yù)覽當(dāng)前的圖像，是否滿意，不滿意可

2、以立即刪除，十分方便。l數(shù)碼相機(jī)與傳統(tǒng)相機(jī)的最大區(qū)別，在于影像的存儲(chǔ)上。由于放棄使用膠卷，而以數(shù)字存儲(chǔ)器取而代之，可以反復(fù)使用，經(jīng)濟(jì)、環(huán)保又快捷。保存的影像不會(huì)變質(zhì)、褪色，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以迅速傳播。l因此，數(shù)碼相機(jī)的出現(xiàn)很大程度上改變了人們的生活和工作。1.2 數(shù)碼相機(jī)的分類l數(shù)碼相機(jī)的分類方法有許多種，比如按功能、價(jià)格、以及按數(shù)碼相機(jī)自身的成像元件等。l我們這里按照數(shù)碼相機(jī)的功能和使用者，將數(shù)碼相機(jī)分為三個(gè)類別，這種分類并不精確，界限也并非非常清晰。入門級(jí)和商業(yè)級(jí)的數(shù)碼相機(jī)l家用入門級(jí)數(shù)碼相機(jī)：l該類數(shù)碼相機(jī)功能簡(jiǎn)潔、操作方便、易于使用、按鈕較少；體積不大，攜帶方便、價(jià)錢適當(dāng)（一般在4000元以

3、下）；成像像素在500或以下。有些也有手動(dòng)功能、10倍左右的長(zhǎng)焦鏡頭或廣角鏡頭。l商業(yè)級(jí)高檔數(shù)碼相機(jī)：l又稱為消費(fèi)級(jí)的數(shù)碼相機(jī)，功能強(qiáng)大，技術(shù)先進(jìn)；采用名廠鏡頭，一般具有高倍變焦鏡頭或廣角鏡頭；成像像素在600800萬(wàn)；體積較大大，手動(dòng)功能豐富；使用最新的成像技術(shù)，拍攝效果極佳。價(jià)格在5000元以上。適合有一定基礎(chǔ)的攝影愛(ài)好者。專業(yè)級(jí)數(shù)碼相機(jī)l專業(yè)級(jí)數(shù)碼相機(jī)：l包括數(shù)碼機(jī)背、專業(yè)單反數(shù)碼相機(jī)等，主要用于新聞、圖片等專業(yè)用途，以及軍事、航天等特殊領(lǐng)域。l我們最常見(jiàn)的就是專業(yè)單反數(shù)碼相機(jī)。所謂單反：就是單鏡頭、反光式。它們具備了對(duì)焦迅捷、成像優(yōu)異、使用便捷、性能優(yōu)越等特點(diǎn)。機(jī)身使用堅(jiān)固的合金，在防

4、塵、防潮、防震甚至放水方面都表現(xiàn)極佳，數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)速度更高。l適合專業(yè)攝影師和資深攝影愛(ài)好者使用。價(jià)錢在8000元到數(shù)萬(wàn)元不等。生產(chǎn)廠家如：尼康（Nikon）、佳能（Canon）等。1.3 數(shù)碼相機(jī)的結(jié)構(gòu)l數(shù)碼相機(jī)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的光、機(jī)、電結(jié)合體，以下以佳能（Canon）EOS 350D專業(yè)單反數(shù)碼相機(jī)；索尼F-828商業(yè)級(jí)數(shù)碼相機(jī)；卡西歐（Casio）EX-Z57超薄時(shí)尚數(shù)碼相機(jī)為例，簡(jiǎn)要介紹一下數(shù)碼相機(jī)的內(nèi)部和外部構(gòu)造。佳能EOS 300D的內(nèi)部構(gòu)造圖 數(shù)碼單反 CANON EOS 350D正面圖CANON EOS 350D背面圖CANON EOS 350D俯視圖商業(yè)級(jí) Sony F-8

5、28構(gòu)造圖Sony F-828正面、背面圖Sony F-828側(cè)面、俯視圖Sony F-828鏡頭、閃光燈Sony F-828機(jī)身可旋轉(zhuǎn)、底部Sony F-828電池存儲(chǔ)卡倉(cāng)Sony F-828 其他部件入門級(jí)：CASIO EX-Z57 正面圖CASIO EX-Z57背面帶底座圖CASIO EX-Z57側(cè)面圖1.4 數(shù)碼相機(jī)的成像原理與成像器件l雖然數(shù)碼相機(jī)的流行還是這幾年的事情，但數(shù)字影像的歷史可以追溯到19世紀(jì)。1873年，科學(xué)家Joseph May等發(fā)現(xiàn)化學(xué)元素硒（Selenium）的結(jié)晶體感光后可以產(chǎn)生電流，由此拉開了數(shù)字影像的序幕。此后的一百多年間，數(shù)字影像技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，其中

6、的關(guān)鍵是電子影像感應(yīng)器（EIS，Electronic Image Sensor）。1.4.1 電子影像感應(yīng)器（EIS）lEIS可以接收光線信號(hào)，并根據(jù)光線的強(qiáng)弱產(chǎn)生相應(yīng)的電流，因此EIS也被稱為光電感應(yīng)器，然后通過(guò)系統(tǒng)處理，再將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為圖像數(shù)據(jù)。這樣光學(xué)圖像就變成了數(shù)字圖像。lEIS廣泛應(yīng)用于各種攝影攝像設(shè)備、天文望遠(yuǎn)鏡、掃描儀、傳真機(jī)和醫(yī)用內(nèi)窺鏡等。常見(jiàn)的電子影像感應(yīng)器（一）lPMT（PhotoMultiplierTube）光學(xué)倍增管：體積較大，價(jià)格高昂，主要用于印刷、出版和工程分析的滾筒掃描儀，是成像效果最好的電子影像感應(yīng)器。lCCD（Charge Coupled Device），即電

7、荷耦合器。1969年由貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，體積小巧，可用于數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)和掃描儀等。感光能力與質(zhì)量稍低于PMT。常見(jiàn)的電子影像感應(yīng)器（二）lCMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor），即互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體。原來(lái)用于傳感器領(lǐng)域，從98年開始用于數(shù)字影像，結(jié)構(gòu)較CCD簡(jiǎn)單，成本低，但成像質(zhì)量也低于CCD。l用于數(shù)碼相機(jī)的電子影像傳感器主要是CCD和CMOS。1.4.2 數(shù)字影像工作原理l下面我們以CCD為例簡(jiǎn)單介紹一下，數(shù)碼相機(jī)是如何形成一幅數(shù)碼照片的。l數(shù)碼相機(jī)成像所需的重要部件分別為：lCCD、放大器、ADC（Analog/Digital

8、Converter、模擬/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器）、DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）、存儲(chǔ)器等。成像原理光圖像R/G/BCCDDSP存儲(chǔ)器LCD鏡頭組數(shù)字或視頻接口CCD上覆蓋一層彩色濾鏡；CCD部分包括放大器和ADC數(shù)字圖像經(jīng)過(guò)彩色修正、白平衡處理、編碼為相應(yīng)圖像格式和分辨率1.4.3 成像器件lCCD影像感應(yīng)器目前已大部份被使用在數(shù)碼相機(jī)上，而近年來(lái)CMOS感應(yīng)器也逐漸開始出現(xiàn)在數(shù)碼相機(jī)的市場(chǎng)當(dāng)中。lCMOS具備了許多CCD所沒(méi)有一些優(yōu)勢(shì)，例如：省電、高集成度、成本更低等等。l因此就未來(lái)影像感應(yīng)技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，數(shù)碼相機(jī)的影像感應(yīng)器市場(chǎng)將會(huì)是CCD與CMOS的兵家必爭(zhēng)之地。像素的定義和原理l每一個(gè)CCD都是

9、由很多感光元件組成的，這些感光元件呈矩陣排列。一個(gè)感光元件對(duì)應(yīng)一個(gè)像素，數(shù)碼相機(jī)所標(biāo)注的CCD分辨率（像素值）也就是CCD上感光元件的數(shù)量。比如一款標(biāo)稱210萬(wàn)像素的數(shù)碼相機(jī)，即表示它的CCD上有210萬(wàn)個(gè)感光元件。感光元件越多，CCD分辨率越高，成像尺寸越大。補(bǔ)充：像素的原理l像素是組成圖像的基本單位。像素是一個(gè)小的方形的顏色塊，每個(gè)像素都被分配了一個(gè)特定的位置和顏色值。l一個(gè)圖像通常由許多像素組成，這些像素被排成橫行或縱列。當(dāng)使用縮放工具將圖像放大到足夠大時(shí)，就可以看到類似馬賽克的效果，其中的每個(gè)小方塊就是一個(gè)像素。l單位面積內(nèi)的像素越多，圖像的分辨率（ppi）就越高，圖像效果就越好。像素

10、的示例放大4倍放大8倍CCD的外觀圖顯微鏡下的CCD表面CCD的結(jié)構(gòu)圖成像區(qū)域放大器每塊CCD正面結(jié)構(gòu)圖感光元件電荷緩存器CCD表面的濾鏡關(guān)于CCD的成像質(zhì)量l除了CCD的像素值外，CCD的尺寸也是成像的關(guān)鍵。我們常見(jiàn)的CCD尺寸有1/2英寸，2/3英寸，1/2.7英寸。它表示CCD對(duì)角線的長(zhǎng)度。相同像素的CCD，尺寸越大，感光元件的動(dòng)態(tài)范圍等指標(biāo)就越好，性能也就越好。l要想進(jìn)一步提升CCD像素值，有兩個(gè)辦法，其一保持現(xiàn)有CCD尺寸，提高工藝縮小感光元件的單位面積，這也是現(xiàn)在常用的方法；l另一種是，加大CCD的面積，但這么作成本較高，廠商一般不愿意。關(guān)于濾鏡lCCD原本是一種只能感受黑白顏色的

11、傳感器，為了能夠增加顏色信息，所以在CCD的各個(gè)像素前面添加了色彩濾鏡，只讓特定顏色的光線通過(guò)，從而獲得了顏色信息。l以原色濾鏡為例，每一種濾鏡都是4個(gè)一組，覆蓋在每一個(gè)像素上（每一個(gè)感光元件上）。每一組原色系的濾鏡包括1個(gè)紅（R）、2個(gè)綠（G）和1個(gè)藍(lán)（B），以G-R-G-B的方式排列。光線中的色彩光線中的色彩可見(jiàn)光是電磁光譜中非常小的一部分紅色光線有最長(zhǎng)的波長(zhǎng)，而紫色光線的波長(zhǎng)最短。三原色l自然界中的三原色通常是指：l紅（Red）l綠（Green）l藍(lán)（Blue）l自然界中的白光（如陽(yáng)光）是由這三種原色疊加而成的。l原色，意味著由它們可以生成其它的所有顏色。白色的光線是由三原色相互混合而成

12、的。由于這三色光混合產(chǎn)生的顏色比原來(lái)的顏色亮度值高，所以這三原色稱為加色三原色：紅色紅色綠色綠色藍(lán)色藍(lán)色加色過(guò)程加色過(guò)程加色三元色的應(yīng)用與RGB模式l計(jì)算機(jī)顯示器與電視機(jī)屏幕原理相同。l都是在屏幕上分別由能打出R（紅色）、G（綠色）、B（藍(lán)色）三色熒光的電子槍掃描合成各種顏色的。lRGB顏色模式。原色濾鏡顏色的還原l當(dāng)光線經(jīng)過(guò)濾鏡透射到感光元件上，生成電信號(hào)后，經(jīng)放大轉(zhuǎn)換，最后輸入到DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）中，DSP會(huì)根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱運(yùn)算出每一個(gè)像素的RGB值。l這種方法簡(jiǎn)單、成本低，但是成像的顏色不夠銳利。Super CCDlSUPER CCD由富士公司獨(dú)家研制，它并沒(méi)有采用常規(guī)正方形二極管，

13、而是使用了一種八邊形的二極管，像素是以蜂窩狀形式排列，并且單位像素的面積要比傳統(tǒng)的CCD大。將像素旋轉(zhuǎn)45度排列的結(jié)果是可以縮小對(duì)圖像拍攝無(wú)用的多余空間，光線集中的效率比較高，效率增加之后使感光性、信噪比和動(dòng)態(tài)范圍都有所提高。l富士公司宣稱，SUPER CCD可以實(shí)現(xiàn)較高的感光度，顏色的再現(xiàn)也大幅改善，電量消耗減少了許多。富士公司宣稱SUPER CCD可與多40%像素的傳統(tǒng)CCD的分辨率相媲美， 因此，富士公司和他們的SUPER CCD一推出即在業(yè)界引起了廣泛的關(guān)注。 Super CCD傳統(tǒng)CCD與Super CCDSuper CCDlSUPER CCD采用蜂窩狀的八邊二極管，感光二極管就有更

14、多的空間；在排列結(jié)構(gòu)上比普通CCD要緊密，此外像素的利用率較高，也就是說(shuō)在同一尺寸下，SUPER CCD的感光二極管對(duì)光線的吸收程度也比較高，使感光度、信噪比和動(dòng)態(tài)范圍都有所提高。Super CCD有效像素的提高l我們知道CCD對(duì)綠色不很敏感，因此是以GBRG來(lái)合成。各個(gè)合成的像素點(diǎn)實(shí)際上有一部分真實(shí)像素點(diǎn)是共用，因此圖象質(zhì)量與理想狀態(tài)有一定差距。l而SUPER CCD通過(guò)改變像素之間的排列關(guān)系，做到了R、G、B像素相當(dāng)，在合成像素時(shí)也是以三個(gè)為一組。因此傳統(tǒng)CCD是四個(gè)合成一個(gè)像素點(diǎn)，而SUPER CCD只用三個(gè)就能合成一個(gè)像素點(diǎn)。因此SUPER CCD像素的利用率較傳統(tǒng)CCD高，生成的像素

15、就多了。 SONY的四色CCD技術(shù)l最早在800萬(wàn)像素的DC：SONY-F828上使用。即RGBE四色CCD技術(shù)。l所謂四色CCD技術(shù)，就是在傳統(tǒng)CCD的R/G/B三原色濾光鏡的基礎(chǔ)上，增減E（祖母綠）濾光鏡，使得新的CCD能更真實(shí)地還原色彩，它所記錄的顏色也更接近肉眼所看到的顏色。l此外，四色CCD技術(shù)還能彌補(bǔ)三色CCD技術(shù)在個(gè)別色彩上的不足。3CCD技術(shù)（高級(jí)攝像機(jī)使用）l一部攝像機(jī)使用3片CCD，光線通過(guò)特殊的光學(xué)棱鏡，被分為R紅、G綠、B藍(lán)三種顏色。分別用一片CCD接受每一種顏色并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)電路處理后產(chǎn)生圖像信號(hào)，這樣，就構(gòu)成一個(gè)3CCD系統(tǒng)。l和單CCD系統(tǒng)相比，由于3C

16、CD分別用三個(gè)CCD轉(zhuǎn)換紅、綠、籃三色信號(hào)，拍攝出來(lái)的圖像從彩色還原上比單CCD更準(zhǔn)確和自然，清晰度也更高。l3CCD系統(tǒng)在數(shù)碼相機(jī)中很少使用。CMOSlCMOS即互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體，CMOS和CCD一樣都可用來(lái)感受光線變化的半導(dǎo)體。CMOS主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，而CCD使用二極管做為半導(dǎo)體。CMOSlCMOS針對(duì)CCD最主要的優(yōu)勢(shì)就是非常省電。這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右，這有助于改善人們心目中數(shù)碼相機(jī)是“電老虎”的不良印象。l佳能在這方面有雄厚的技術(shù)力量和豐富的經(jīng)驗(yàn)。發(fā)展到今日已經(jīng)比較容易地以較低的成本制造較大大尺寸的CMOS感光芯片。lCMOS主要問(wèn)題是在處理快速變化的影像時(shí)，由于電流變化過(guò)于頻繁而過(guò)熱。暗電流如果抑制得不好就十分容易出現(xiàn)雜點(diǎn)。CMOSlCMOS與CCD的圖像數(shù)據(jù)掃描方法有很大差別。如果分辨率為300萬(wàn)像素，那么C