高技術(shù)輸入課件

高技術(shù)輸入輸出設(shè)備30－1數(shù)碼相機(jī)一、數(shù)碼相機(jī)的定義

數(shù)碼相機(jī)又稱為數(shù)字相機(jī)，簡稱DCS(DigitalStillCamera)。其實質(zhì)是一種非膠片相機(jī)，它采用CCD（電荷藕合器件）或CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）作為光電轉(zhuǎn)換器件，將被攝物體以數(shù)字形式記錄在存儲器中。二、數(shù)碼相機(jī)特性

數(shù)碼相機(jī)是集光學(xué)、機(jī)械、電子于一體的的現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)品，它集成了影像信息的轉(zhuǎn)換、存儲和傳輸?shù)榷喾N部件，具有數(shù)字化存取模式、與計算機(jī)交互處理和實時拍攝的特點。因此數(shù)碼相機(jī)有如下之特性：

1.立即成像：數(shù)碼相機(jī)屬電子取像，可立即在液晶顯示器、計算機(jī)顯示器或電視上顯示，可實時監(jiān)視影像效果，也可隨時刪除不理想的圖片。

2.與計算機(jī)兼容：數(shù)碼相機(jī)存儲器里的圖像輸送到計算機(jī)后通過影像處理軟件，可從事剪切，編輯、打印等，并可將影像存儲在計算機(jī)中。

3.電信傳送：數(shù)碼相機(jī)可將圖像信號轉(zhuǎn)換為電子信號，經(jīng)電信傳輸網(wǎng)或內(nèi)部網(wǎng)進(jìn)行傳輸。三、數(shù)碼相機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

數(shù)碼相機(jī)與傳統(tǒng)的膠片相機(jī)兩者最大的區(qū)別是在它們各自的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理上。它們的共同點是均由光學(xué)鏡頭、取景器、對焦系統(tǒng)、快門、光圈、內(nèi)置電子閃光燈等組成，有的數(shù)碼相機(jī)既有取景器還有液晶顯示器LCD。但數(shù)碼相機(jī)還有其特殊的結(jié)構(gòu)，如CCD或CMOS、仿真信號處理器、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、DSP數(shù)字信號處理器、圖像處理器、圖像存儲器和輸出控制單元等。

以下是數(shù)碼相機(jī)主要部件的主要功能：

1)鏡頭主要功能：把光線會聚到CCD或CMOS圖像傳感器上，起到調(diào)整焦距的作用。對于定焦數(shù)碼相機(jī)，鏡頭、物體和聚焦平面間的理想距離被精確計算，從而固定了鏡頭和光圈的位置。對于ZOOM數(shù)碼相機(jī)，有一個機(jī)械裝置，可以帶動鏡頭組前后運動，一直讓鏡頭保持在聚焦平面中央，能夠捕捉到距離鏡頭的遠(yuǎn)近的物體。

2)CCD（CMOS）圖像傳感器主要功能：把鏡頭傳來的圖像信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉抡骐娦盘枴?/p>

3)A/D轉(zhuǎn)換器主要功能：數(shù)碼相機(jī)利用A/D轉(zhuǎn)換器將CCD產(chǎn)生的仿真電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳輸?shù)綀D像處理單元。4)數(shù)字信號處理器主要功能：數(shù)字信號處理器主要功能是通過一系列復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算法，如加、減、乘、除、積分等，對數(shù)字圖像信號進(jìn)行優(yōu)化處理(包括：白平衡、彩色平衡、伽瑪校正與邊緣校正等)。

5)圖像壓縮主要功能：數(shù)碼相機(jī)的圖像處理包括數(shù)據(jù)壓縮，圖像壓縮的目的是為了節(jié)省存儲空間，利用JPEG編碼器把得到的圖像轉(zhuǎn)換為靜止壓縮的圖像(JPEG格式)。6)總體控制電路主要功能：主控程序芯片(MCU)能協(xié)調(diào)和控制測光、運算、曝光、閃光控制及拍攝邏輯控制。當(dāng)電源開啟時，MCU則開始距檢查各功能是否正常，若正常，相機(jī)處于準(zhǔn)備狀態(tài)。四、數(shù)碼相機(jī)的工作原理

數(shù)碼相機(jī)在使用過程中，半按快門對準(zhǔn)被攝的景物(快門ON狀態(tài)，與膠片相機(jī)相反)，從鏡頭傳來的光圖像經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器(CCD或CMOS)感應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換成為一一對應(yīng)的仿真信號，再經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，把仿真電信號變成數(shù)字信號，最后經(jīng)過圖像處理器DSP(DigitalSignalProcessor)和主控程序芯片(MCU)按照指定的文件格式，把圖像以二進(jìn)制數(shù)碼的形式顯示在LCD上，如按下快門，則把圖像存入存儲器中。數(shù)碼相機(jī)的工作步驟大致分如下：

1開機(jī)準(zhǔn)備：當(dāng)打開相機(jī)的電源時，其內(nèi)部的主控程序就開始檢測各部件是否正常。如某一部件有異常，內(nèi)部的蜂鳴器就會發(fā)出警報或在LCD上提示錯誤信息并停止工作。如一切正常，就進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。

2聚焦及測光：數(shù)碼相機(jī)一般都有自動聚焦和測光功能。當(dāng)打開DSC電源時，相機(jī)內(nèi)部的主控程序芯片(MCU)立即進(jìn)行測光運算，曝光控制和閃光控制及拍攝邏輯控制。當(dāng)對準(zhǔn)物體并把快門按下一半時，MCU開始工作，圖像信號經(jīng)過鏡頭測光（TTL測光方式）傳到CCD或CMOS上并直接以CCD或CMOS輸出的電壓信號作為對焦信號，經(jīng)過MCU的運算、比較再進(jìn)行計算、確定對焦的距離和快門速度及光圈的大小，驅(qū)動鏡頭組的AF和AE裝置進(jìn)行聚焦。3圖像捕捉：在聚焦及測光完成后再按下快門，攝像器件（CCD或CMOS）就把從被攝景物上反射的光進(jìn)行捕捉并以紅、綠、藍(lán)三種像素（顏色）存儲。

4圖像處理：就是把捕捉的圖像進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、圖像處理、白平衡處理、色彩較正等，再到存儲區(qū)合成在一起形成一幅完整的數(shù)字圖像，在圖像出來后再經(jīng)過DSP單元進(jìn)行壓縮轉(zhuǎn)換為JPEG格式（靜止圖像壓縮方式），以便節(jié)省空間。5圖像存儲：在圖像處理單元壓縮的圖像送到存儲器中進(jìn)行保存。

6圖像的輸出：存儲在數(shù)碼相機(jī)存儲器的圖像通過輸出端口可以輸出送到計算機(jī)，可在計算機(jī)里通過圖像處理程序（軟件）進(jìn)行圖形編輯、處理、打印或網(wǎng)上傳輸?shù)取?/p>

在中高級的數(shù)碼相機(jī)中，一般都含有AE功能和AF功能

1）AE功能

當(dāng)DSC相機(jī)對準(zhǔn)被攝物體時，CCD根據(jù)鏡頭傳來的圖像亮度的強(qiáng)弱，轉(zhuǎn)變?yōu)镃CD數(shù)字電壓信號，DSP再根據(jù)CCD數(shù)字電壓信號進(jìn)行運算處理，再把運算結(jié)果傳輸給MCU迅速找到合適的快門速度和鏡頭光圈的大小最佳值，由MCU控制AE機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動曝光。2）AF功能

直接利用CCD輸出的數(shù)字電壓信號作為對焦信號，經(jīng)過MCU的運算比較進(jìn)行驅(qū)動鏡頭AF機(jī)構(gòu)前后運動。五、數(shù)碼相機(jī)的分類

目前數(shù)碼相機(jī)的分類很多，如果按圖像傳感器來分，可分為CCD數(shù)碼相機(jī)和CMOS數(shù)碼相機(jī)。

CCD數(shù)碼相機(jī)

CCD數(shù)碼相機(jī)是指數(shù)碼相機(jī)使用CCD圖像傳感器來記錄圖像，屬中高檔相機(jī)。CCD本身是不能分辨各種顏色的光，要用不同顏色的濾色片配合使用，因此CCD數(shù)碼相機(jī)有以下兩種工作方式：

1利用透鏡和分光鏡將光圖像信號分成R、G、B三種顏色，并分別作用在三片CCD上，這三種顏色的光經(jīng)CCD轉(zhuǎn)換為仿真電信號，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再經(jīng)DSP數(shù)字信號處理器處理后存儲到存儲器中。

2在每個像素點的位置上有三個分別加上R、G、B三種顏色濾色片的CCD，經(jīng)過透鏡后的光圖像信號被分別作用在不同的傳感器上，并將它們轉(zhuǎn)換為仿真電信號，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再經(jīng)DSP數(shù)字信號處理器處理后存儲到內(nèi)存中。CMOS數(shù)碼相機(jī)

CMOS數(shù)碼相機(jī)是指數(shù)碼相機(jī)使用CMOS圖像傳感器來記錄圖像。其工作方式與CCD數(shù)碼相機(jī)相似，目前屬低檔相機(jī)。

CCD圖像傳感器與CMOS圖像傳感器比較：

CMOS圖像傳感器易與A/D電路、數(shù)字信號處理器DSP電路等集成在一起。CCD圖像傳感器只能單一的鎖存到成千上萬的采樣點上的光線的狀態(tài)，CMOS則可以完成其它的許多功能，如A/D轉(zhuǎn)換，負(fù)載信號處理、白平衡處理及相機(jī)控制(白平衡調(diào)調(diào)整就是通過圖像調(diào)整，使在各種光線條件下拍的照片色彩與人眼看到的景物色彩一樣)。另外，CMOS圖像傳感器還有耗電小的優(yōu)點，其耗電量約為CCD圖像傳感器的1/10。但目前CMOS圖像傳感器在解析力和色彩上還不如CCD圖像傳感器，圖像有噪音、準(zhǔn)確捕捉動態(tài)圖像的能力還不強(qiáng)。六、數(shù)碼相機(jī)的聚焦

聚焦是清晰成像的前提，數(shù)碼相機(jī)一般都有自動聚焦功能。數(shù)碼相機(jī)的自動聚焦功能與傳統(tǒng)的膠片相機(jī)類似，也有主動式和被動式兩種形式。

主動式就是相機(jī)主動發(fā)射紅外線（或超聲波），根據(jù)目標(biāo)的反射進(jìn)行聚焦。數(shù)碼相機(jī)的技術(shù)缺陷

快門延時：對于傳統(tǒng)相機(jī)而言，從按下快門鍵至快門釋放這段延遲時間是可以被忽視的。而數(shù)碼相機(jī)就不行，因為有一個快門時滯的問題，也就是說你按下快門后，CCD并沒有馬上捕捉光線，而是過一些時間后才開始工作。不同數(shù)碼相機(jī)的快門時滯是不一樣的，價格低廉的數(shù)碼相機(jī)反應(yīng)速度比較慢。這使得數(shù)碼相機(jī)在拍攝運動物體時顯得力不從心，隨著技術(shù)的進(jìn)步，快門延滯時間將會越來越少。

長時間曝光：許多數(shù)碼相機(jī)經(jīng)過長時間曝光后的圖像質(zhì)量會有所下降，具體表現(xiàn)是：噪點比較多，色彩還原不自然，容易出現(xiàn)色斑和雜色，低端數(shù)碼相機(jī)在這方面更為突出。

ISO值的設(shè)置：一般來說，數(shù)碼相機(jī)制造商都采用膠卷感光度的標(biāo)準(zhǔn)來對CCD的感光度進(jìn)行劃分，因此一臺ISO80數(shù)碼相機(jī)的感光度與普通相機(jī)使用ISO80膠卷時是相同的。一些價格昂貴的高檔數(shù)碼相機(jī)ISO設(shè)置可調(diào)節(jié)，可增大到ISO200、400、800。這使得攝影師們拍攝高速運動的物體或處在弱光下的景物成為可能。雖然現(xiàn)在已經(jīng)有ISO3200的專業(yè)數(shù)碼相機(jī)，但民用級數(shù)碼相機(jī)所使用的CCD感光度還很低，一般都不會ISO400、不低于ISO50，如深受行業(yè)人士看好的柯達(dá)ProBack感光度也只ISO100。

電池的使用時間：電池使用時間太短至今仍是讓數(shù)碼相機(jī)使用者和制造者頭痛的事，各大數(shù)碼相機(jī)生產(chǎn)廠家都在電池研制上花了不少功夫，相信這個問題會逐漸得到解決。

此外，在數(shù)碼相機(jī)與傳統(tǒng)相機(jī)的區(qū)別方面，還值得一提的是攝影觀念上的差別。不同的操作必然會造成觀念上的差異，而且這個差異將直接影響到數(shù)碼相機(jī)的定位和發(fā)展。

全球定位系統(tǒng)1.1基本原理GPS系統(tǒng)是由美國國防部的陸海空三軍在70年代聯(lián)合研制的新型衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)它的英文名稱是“NavigationSatelliteTimingAndRanging/GlobalPositioningSystem”其意為“衛(wèi)星測時測距導(dǎo)航全球定位系統(tǒng)”簡稱GPS系統(tǒng)GPS的定位原理實質(zhì)上就是測量學(xué)的空間測距定位，利用在平均20200km高空均勻分布在6個軌道上的24顆衛(wèi)星發(fā)射測距信號碼和載波，用戶通過接收機(jī)接收這些信號測量衛(wèi)星至接收機(jī)之距，通過一系列方程演算便可知地面點位坐標(biāo)。1.2GPS的組成GPS由三部分組成GPS空間部分地基監(jiān)控站和GPS用戶接收機(jī)部分1.2.1GPS空間部分GPS空間部分由24顆分布在6個等間隔軌道上的衛(wèi)星組成，衛(wèi)星分布可保證全球任何地區(qū)任何時刻都不少于4顆衛(wèi)星供觀測，24顆衛(wèi)星中3顆做為備份每個軌道平面上有4顆衛(wèi)星它們按與地球成55度的相同方向運行空間間隔約為90度。1、空間部分

由21顆工作衛(wèi)星

和3顆備用衛(wèi)星。每個GPS衛(wèi)星都對應(yīng)一組編號它們有多種編號一般采用PRN（衛(wèi)星所采用的偽隨機(jī)噪聲碼）編號，GPS定位精度高低關(guān)鍵在于高穩(wěn)定度的頻率標(biāo)準(zhǔn)，為此每顆GPS衛(wèi)星都設(shè)有兩臺銣原子鐘和兩臺銫原子鐘。1.2.2地基監(jiān)控站地基部分地基監(jiān)控站由一個主控站和四個監(jiān)控站組成，主控站設(shè)置在美國大陸，四個監(jiān)控站分別設(shè)在大西洋太平洋和印度洋訴島嶼上。Coloradosprings55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajalein1個主控站:Coloradosprings(科羅拉多.斯平士)。3個注入站:Ascencion(阿森松群島)、DiegoGarcia(迭哥伽西亞)、kwajalein(卡瓦加蘭)。5個監(jiān)控站：以上主控站、注入站及Hawaii(夏威夷)。1.2.3GPS用戶接收機(jī)用戶接收機(jī)通過接收多顆衛(wèi)星的信號來解算出自身的位置以實現(xiàn)定位和導(dǎo)航，GPS接收機(jī)按使用環(huán)境可分為中低動態(tài)接收機(jī)和高動態(tài)接收機(jī)，按所收信號可分為單頻C/A碼接收機(jī)和雙頻P碼和Y碼接收機(jī)。手持型GPS機(jī)車載型GPS機(jī)單頻機(jī)雙頻機(jī)GPS提供2種水平的導(dǎo)航服務(wù)—精密定位服務(wù)PPS和標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)SPS，PPS主要供美國及其盟國的軍用和特殊許可部門，對一般用戶只能使用單頻C/A碼定位。由于美國的GPS政策所定使用單頻C/A碼還要受到SA的影響，即為降低精度而人為加入的一些干擾。因此一般單機(jī)定位精度為二維100米左右，對要求高的場合則需采用DGPS差分工作方式，精度可提高到10米，軍用可到毫米級。3.1GPS傳輸信號分類被傳輸?shù)男盘柊?不同的信息第一種是頻率為10.23MHz的軍用P碼，美國政府禁止把該碼提供給民用用戶。第二種是C/A碼頻率為1.023MHz，用戶用該碼可以得到基本的定位信息。一、語音識別技術(shù)簡介計算機(jī)語音識別是一個模式識別匹配的過程。在這個過程中，計算機(jī)首先要根據(jù)人的語音特點建立語音模型，對輸入的語音信號進(jìn)行分析，并抽取所需的特征，在此基礎(chǔ)上建立語音識別所需的模板。而計算機(jī)在識別過程中要根據(jù)語音識別的整體模型，將計算機(jī)中存放的語音模板與輸入的語音信號的特征進(jìn)行比較，根據(jù)一定的搜索和匹配策略，找出一系列最優(yōu)的與輸入的語音匹配的模板。然后，據(jù)此模板的定義，通過查表就可以給出計算機(jī)的識別結(jié)果。顯然，這種最優(yōu)的結(jié)果與特征的選擇、語音模型和語言模型的好壞、模板是否準(zhǔn)確等都有直接的關(guān)系。

語音識別是一門交叉學(xué)科。語音識別過程實際上是一種認(rèn)識過程，該過程與人對語音的識別處理過程基本上是一致的。目前主流的語音識別技術(shù)是基于統(tǒng)計模式識別的基本理論，一個完整的語音識別系統(tǒng)可大致分為三部分：（1）語音特征提?。翰僮鲉T發(fā)出的語聲波先由話筒接收并轉(zhuǎn)換為電信號再進(jìn)入自動識別系統(tǒng)，經(jīng)過特征分析，把言語劃分成一段段具有一定時間長度的音段序列，每一個音段的特征可以經(jīng)編寫組合成便于存儲和便于比較的圖形，語音特征提取就是從語音波形中提取出隨時間變化的語音特征序列。（2）聲學(xué)模型與模式匹配：聲學(xué)模型通常將獲取的語音特征通過學(xué)習(xí)算法產(chǎn)生，它是識別系統(tǒng)的底層模型，并且是語音識別系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一部分。聲學(xué)模型的目的是提供一種有效的方法，計算語音的特征矢量序列和每個發(fā)音模板之間的距離。另外，聲學(xué)模型的設(shè)計和語言發(fā)音特點密切相關(guān)，必須根據(jù)不同語言的特點、識別系統(tǒng)詞匯量的大小決定識別單元的大小，在識別時將輸入的語音特征同聲學(xué)模型進(jìn)行匹配與比較，得到最佳的識別結(jié)果。（3）語言模型與語言處理：語言模型包括由識別語音命令構(gòu)成的語法網(wǎng)絡(luò)或由統(tǒng)計方法構(gòu)成的語言模型，語言處理可以進(jìn)行語法、語義分析。就像人們聽語音時，并不把語音和語言的語法結(jié)構(gòu)、語義結(jié)構(gòu)分開來，因為當(dāng)語音發(fā)音模糊時人們可以用這些知識來指導(dǎo)對語言的理解過程，對機(jī)器來說，識別系統(tǒng)也要利用這些方面的知識。語言模型對中、大詞匯量的語音識別系統(tǒng)特別重要。當(dāng)分類發(fā)生錯誤時可以根據(jù)語言學(xué)模型、語法結(jié)構(gòu)、語義學(xué)進(jìn)行判斷糾正，特別是一些同音字則必須通過上下文結(jié)構(gòu)才能確定詞義。語音識別原理BillGates在97年世界計算機(jī)博覽會(COMDEX)主題演講會上描繪IT事業(yè)的發(fā)展宏圖時，率先指出：下一代操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的用戶界面將是語音識別。工業(yè)界應(yīng)對語音識別領(lǐng)域的重大突破做好充分準(zhǔn)備，因為那將是一場席卷全球的另一次熱潮。1998年11月5日，微軟中國研究院在北京成立。該中心的任務(wù)是重點研究計算機(jī)在中文環(huán)境下的易用性。

IBM公司潛心研究語音識別技術(shù)迄今已達(dá)30年之久，投資超過2億美元。IBM公司于1995年在北京成立了中國研究中心，中文語音信息處理成了該中心三大研究領(lǐng)域之一，并于1997年9月4日，在北京推出了中文連續(xù)語音識別產(chǎn)品ViaVoice。

1998年，英特爾公司也宣布致力于推廣語音識別技術(shù)，除了在北京舉辦首屆語音技術(shù)國際論壇之外，還在北京、上海、成都、廣州等地展開了“基于英特爾框架的語音識別技術(shù)”的宣傳活動。聯(lián)合了七家世界著名學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)（中科院自動化所、清華大學(xué)、香港科技大學(xué)、香港中文大學(xué)、麻省理工學(xué)院、俄勒崗研究院、WATERLLOO大學(xué)）成立了“國際語音技術(shù)研究組織”，致力于計算機(jī)語音技術(shù)的基礎(chǔ)研究，以加速中文語音識別技術(shù)的發(fā)展。

發(fā)音的生理機(jī)構(gòu)肺活量

聲帶（聲門）咽腔軟腭鼻腔口腔氣管及支氣管鼻音口音主聲道：聲門以上，經(jīng)咽喉、口腔的管道。鼻道：經(jīng)小舌和鼻的管道稱為鼻道。次聲門系統(tǒng)：經(jīng)肺、氣管和支氣管的管道。語音的產(chǎn)生過程音源產(chǎn)生聲道調(diào)音向外輻射音源：聲帶音源、非聲帶音源

-聲帶振動周期：T(F0=1/T:基本頻率)聲道調(diào)音：對聲道形狀進(jìn)行調(diào)整。

-聲道共振頻率：語音分類：

-濁音：由聲帶振動并激勵聲道而得到的語音。

-清音：由氣流高速沖過某處收縮的聲道所產(chǎn)生的語音。·構(gòu)詞規(guī)則·同音字判決·語法語義·背景知識預(yù)處理聲學(xué)參數(shù)分析測度估計失真測度語音庫判決專家知識庫訓(xùn)練識別結(jié)果·反混疊失真濾波器·預(yù)加重器·端點檢測·噪聲濾波器·歐氏距離·似然比測度○語音信號輸入訓(xùn)練(Training)：預(yù)先分析出語音特征參數(shù)，制作語音模板(Template)并存放在語音參數(shù)庫中。識別(Recognition)：待識語音經(jīng)過與訓(xùn)練時相同的分析，得到語音參數(shù)，將它與庫中的參考模板一一比較，并采用判決的方法找出最接近語音特征的模板，得出識別結(jié)果。失真測度(DistortionMeasures)：在進(jìn)行比較時要有個標(biāo)準(zhǔn)，這就是計量語音特征參數(shù)矢量之間的“失真測度”。主要識別框架：基于模式匹配的動態(tài)時間規(guī)整法(DTW:Dynamic