數(shù)碼相機的結(jié)構(gòu)原理

數(shù)碼相機的結(jié)構(gòu)原理第1頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2數(shù)碼相機的結(jié)構(gòu)組成第2頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3感光成像器件CCD或CMOS面陣規(guī)格和品質(zhì)決定DC的檔次象素：10萬～800萬主流準專業(yè)相機：>1000萬第3頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月CanonEOS-1DMARKIII第4頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月CanonEOS-300D第5頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)部結(jié)構(gòu)第6頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月幾個高級別DC感光器件對比專業(yè)級準專業(yè)級消費級DSLC型號CanonEOS-1DMarkIIINikonD2XCanonEOS-40DNikonD80CanonEOS-400DNikonD40X上市時間2007年2006年2007年2006年2006年2007年感光器件CMOSCMOSCMOSCCDCMOSCCD像素2110萬1240萬

1050萬1020萬1050萬1020萬面積36×24mm23.7

×15.7mm22.4×14.8mm23.6

×15.8mm22.4×14.8mm23.6

×15.8mmISO50-3200100-3200100-3200100-1600100-1600100-1600市場價格￥60000￥29000￥8400￥8400￥4800￥4700

第7頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4信號處理部分一.模擬信號處理:

對CCD輸出的有用信息進行采樣、保持、放大，使之與A/D輸入電平相匹配。第8頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月二.A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換速度:圖像后處理時間,連拍速度量化精度:色彩深度

24位:2^24=167772161600萬

30位:2^30=107374182410億

36位:2^36=68719476736680億第9頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月三.DSP器件(DigitalSignalProcessing)專門用于對大量數(shù)字信息計算處理的CPU計算速度高，低功耗移動電話，科學(xué)儀器，數(shù)碼相機第10頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月DSP圖像通道第11頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月DSP圖像通道1.黑色補償原因：CCD暗電流特性+受環(huán)境影響補償方法：完全遮光開啟快門*每幅圖像第12頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月DSP圖像通道2.鏡頭光照度補償原因：視場中光照度不均勻

像方半視場角θ

光照度∝cos4θ

補償方法：在先期處理中，進行數(shù)字補償?shù)?3頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月DSP圖像通道3．缺陷像素修補原因:傳感器面陣缺陷表現(xiàn):全遮光條件下為亮點修補方法:插值

第14頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月DSP圖像通道4．白平衡

原因：物體在不同色溫的光源下具有不同的顏色特征。調(diào)整方法：以人眼的光譜曲線為標準，調(diào)整白色中三基色光的比例，使成像器件與顯示設(shè)備的光譜特性相匹配。自動白平衡：三原色的光能量相平衡

第15頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月DSP圖像通道5．自動曝光

對曝光量評估計算鏡頭光圈、快門速度、信號增益第16頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月DSP圖像通道6．γ矯正

原因：CCD/CMOS電信號∝光照度顯示設(shè)備的像素灰度值∝圖像亮度值矯正后：顯示亮度∝圖像亮度第17頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月DSP圖像通道7．CFA插值

原因：每個像素只得到了一種顏色的信息

解決方案：利用周圍像素的顏色信息，通過插值得到該像素其他顏色。第18頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月DSP圖像通道8．色空間轉(zhuǎn)換

原因：壓縮算法采用Y、Cb、Cr色空間轉(zhuǎn)換方法:第19頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月DSP圖像通道9．邊界增強

原因：CFA低通濾波，平滑圖像的邊界邊界增強方法:a.找到邊界像素群b.計算邊界像素的Y分量增益c.將各像素的Y分量增益放大并疊加到原像素的照度信息之中第20頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月DSP圖像通道10．假彩色抑制

原因：彩色濾光片陣列的色飽和因子的不同、各像素亮度和色彩的帶寬不同

抑制方法：對像素亮度和邊界信息的分析來判定假彩色的位置，通過對像素的彩色分量(Cb、Cr)的調(diào)整來抑制假彩色第21頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月第22頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月DSP圖像通道11．自動對焦

利用自動對焦算法評價輸入圖像的清晰度，并實時地給出反饋信號控制鏡頭機械運動，對景物實現(xiàn)正確對焦。

第23頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月DSP圖像通道12．圖像壓縮

原因：存儲空間有限

JPEG(JointPhotographicExpertGroup):a.圖像分塊,每塊8×8b.離散余弦變換分解成頻譜信息c.將頻譜信息進行量化、平均信息量編碼d.典型的壓縮比為15：1、10：1.第24頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月JPEG2000標準

采用小波變換編碼

在JPEG基礎(chǔ)上提高壓縮率10％～30％提供無損和有損兩種壓縮方式漸進傳輸，隨傳隨顯

第25頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5成像物鏡與曝光控制部分

一.成像物鏡

物鏡孔徑：反映物鏡受光能力物鏡視場：決定相機的成像范圍物鏡分辨率：應(yīng)與CCD分辨率相匹配

物鏡的畸變：大視場需要校正第26頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月二.紅外截止濾色片

CCD的最靈敏峰值出現(xiàn)在紅外波段

在圖像上就是背景噪聲

有紅外成像功能的數(shù)碼相機,須考慮紅外波段的像差校正

第27頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月三.低通濾波片

CCD的光敏單元整齊排列像上有與CCD感光單元的空間頻率相似排列的線條組或斑點群時,出現(xiàn)“莫爾效應(yīng)”

低通濾波片濾除圖像中高頻部分

犧牲光學(xué)分辨率

第28頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月四.數(shù)碼相機的快門

曝光寬容度:CCD<光化學(xué)膠片曝光誤差:

傳統(tǒng)照相機<±lEV

數(shù)碼相機<±0.3EV兩種快門：機械快門，電子快門第29頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月機械快門快門葉片在光路中攔截光線，控制光學(xué)相對孔徑和曝光時間

曝光過程：開關(guān)開關(guān)快門速度：1/15s～1/1000s第30頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月機械快門五片中心快門簾式快門第31頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月電子快門:控制模擬電量的讀取時間,實現(xiàn)曝光

曝光過程:清除電荷曝光讀取快門速度:最高達1/8000s

防止強光直射鏡頭損壞CCD器件第32頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月五.曝光控制

曝光量控制:光圈大小+快門速度自動曝光：測光系統(tǒng)(TTLThroughTheLens)

曝光量控制第33頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月六.閃光燈及控制

閃光燈用途:黑暗條件下拍攝背光條件下進行補光第34頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月第35頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月3.6控制電路

CPU控制照相機工作流程數(shù)碼相機以傳統(tǒng)膠片相機控制技術(shù)為基礎(chǔ)，將工作流程控制電路與信息處理、轉(zhuǎn)換與存儲電路結(jié)合，通過CPU實現(xiàn)對各個操作的統(tǒng)一協(xié)調(diào)和控制。第37頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月3.7取景器部分

單鏡頭反光取景平視取景液晶顯示器取景第38頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月單鏡頭反光取景所見即所得結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積大價格昂貴第39頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月平視取景第40頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月平視取景取景器和攝影物鏡分離

倒置伽利略望遠鏡

與變焦鏡頭相匹配的取景器使用相應(yīng)的變倍望遠鏡，并與物鏡變焦聯(lián)動變倍

視差:拍攝距離越近視差越大

第41頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月液晶顯示器取景結(jié)構(gòu)簡單,使用廣泛取景方便兼具瀏覽器和菜單功能缺點：分辨率低，受外界強光干擾，費電第42頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月3.8電源

選購數(shù)碼相機時選用采用標準規(guī)格可充電電池的機種拍攝時少用液晶顯示器和閃光燈，不拍時隨時關(guān)機室內(nèi)使用或圖像下載時使用外接電源隨時注意電池的電量顯示，做到計劃使用

第43頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月3.9圖像存儲部分

一.軟盤

價格便宜使用方便

1.44M容量過低讀寫速度慢容易損壞

第44頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月二.CF卡(CompactFlash)Sandisk公司1994年制造了最早的CF卡CF卡是使用最多的存儲介質(zhì)讀寫速度快、可靠性高、不易損壞著名廠家:Pretec,勝創(chuàng)科技

,SanDisk第45頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月

三.SM卡(SmartMedia)東芝公司在1995年11月發(fā)布

卡上只有閃存模塊和接口，沒有控制芯片兼容性差,相對成本高

第46頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月四.記憶棒(MemoryStick)SONY公司1988年開發(fā)

外形小巧、功能多元

價格偏高,容量較小與其它品牌不兼容第47頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月五.MMC卡(MultiMediaCard)

Sandisk和西門子于1997年聯(lián)手推出

用途廣泛:數(shù)碼相機、MP3、手機、GPS全球定位系統(tǒng)、掌上電腦等小型輕便:<2g

32mm24mml.4mm，第48頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月六.SD卡(SecureDigitalCard)

松下、東芝和美國SanDisk共同開發(fā)大容量、高性能，安全性高比MMC卡多了數(shù)據(jù)著作權(quán)保護認證功能與MMC卡兼容第49頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月七.微型硬盤(Microdrive)IBM于2002年推出最大容量已達2GB使用較少第50頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月八.CD-R或CD-RW價格便宜,存儲量大體積大，質(zhì)量重，圖像顯示慢

刻錄用半導(dǎo)體激光器壽命較短第51頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月3.10輸出接口

一.并行接口打印接口

可與打印機相連,直接打印不支持熱插拔

第52頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月

二.RS-232串行接口早期數(shù)碼相機使用,現(xiàn)已功成身退不支持熱插拔傳輸速率較低,通常為115Kbit／s。

第53頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月

三.SCSI接口

SCSI:SmallComputerSystemInterface系統(tǒng)級接口,功能豐富，支持多任務(wù)外設(shè)本身必須配有相應(yīng)的外設(shè)控制器不支持熱插拔使用較少:專業(yè)數(shù)碼相機或數(shù)碼機背

第54頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月四.USB接口

使用廣泛允許多個設(shè)備同時連接支持熱插拔，使用方便

傳輸速率高

USBl.0：12Mbit／sUSB2.0：是1.0的40倍

第55頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月五.IEEE1394接口數(shù)據(jù)傳輸速率高:100Mbit/s(典型)

160Mbit/s、200Mbit/s、400Mbit/s支持熱插拔

可外掛64臺獨立的外部設(shè)備

需要專用的IEEEl394接口卡

第56頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月六.視頻輸出接口(TV口)播放數(shù)碼相機已拍攝影像攝像頭使用

七.IrDA紅外接口

無線傳輸傳輸速率為115Kbit／s第57頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月八.藍牙技術(shù)(Bluetooth)Ericsson、IBM、Intel、Nokia和Toshiba等公司在1998年聯(lián)合推出的先進的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)工作頻段2.4GHz傳輸速率設(shè)計為1MHz快速、靈活、安全、低代價、低功耗第58頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月RicohCaplio500SEModelB813w像素3倍光學(xué)變焦三防—防水（防雨，1m水下）、防塵、防撞藍牙接口￥8600第59頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月九.802.11標準

無線短距離局域網(wǎng)標準

工作頻段

2.4GHz目前最常用的傳輸協(xié)議耗電量大

筆記本無線網(wǎng)卡NikonSC7發(fā)布于2006年8月第60頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月常用接口性能比較標準速率(bps)代表機型

RS-232115-230早期民用機

USB1.012M目前廣泛使用

IEEE1394400MKodakDCSPro14n，NikonD1X，CanonEOS1DSUSB2.0480MFujiFinePixS7000，Olympus,BenQBlueTooth1MSonyDSC-FX77,