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1、第一部分第一部分 数码相机的基础知识数码相机的基础知识（上）（上）2005-04-11内容提要（上）l数码相机的功能特点；数码相机的功能特点；l数码相机的分类；数码相机的分类；l数码相机的结构；数码相机的结构；l数码相机的成像原理与成像器件；数码相机的成像原理与成像器件；1.1数码相机的功能特点l数码相机和传统相机在外观上，除了有屏幕预览窗口(LCD)和更多的按钮之外，没有大的区别。l作为一个全数字化的产品，只要按动快门，即通过图像传感器，将所拍摄景物的光图像转为电信号，经过处理，输出存储器上，生成计算机能够识别的数字影像。不要胶卷，无需冲印。数码相机的功能特点l在拍摄同时，通过LCD可以预览
2、当前的图像，是否满意，不满意可以立即删除，十分方便。l数码相机与传统相机的最大区别，在于影像的存储上。由于放弃使用胶卷，而以数字存储器取而代之，可以反复使用，经济、环保又快捷。保存的影像不会变质、褪色，通过网络可以迅速传播。l因此，数码相机的出现很大程度上改变了人们的生活和工作。1.2数码相机的分类l数码相机的分类方法有许多种，比如按功能、价格、以及按数码相机自身的成像元件等。l我们这里按照数码相机的功能和使用者，将数码相机分为三个类别，这种分类并不精确，界限也并非非常清晰。入门级和商业级的数码相机l家用入门级数码相机：l该类数码相机功能简洁、操作方便、易于使用、按钮较少；体积不大，携带方便、
3、价钱适当（一般在4000元以下）；成像像素在500或以下。有些也有手动功能、10倍左右的长焦镜头或广角镜头。l商业级高档数码相机：l又称为消费级的数码相机，功能强大，技术先进；采用名厂镜头，一般具有高倍变焦镜头或广角镜头；成像像素在600800万；体积较大大，手动功能丰富；使用最新的成像技术，拍摄效果极佳。价格在5000元以上。适合有一定基础的摄影爱好者。专业级数码相机l专业级数码相机：l包括数码机背、专业单反数码相机等，主要用于新闻、图片等专业用途，以及军事、航天等特殊领域。l我们最常见的就是专业单反数码相机。所谓单反：就是单镜头、反光式。它们具备了对焦迅捷、成像优异、使用便捷、性能优越等特
4、点。机身使用坚固的合金，在防尘、防潮、防震甚至放水方面都表现极佳，数据处理和存储速度更高。l适合专业摄影师和资深摄影爱好者使用。价钱在8000元到数万元不等。生产厂家如：尼康（Nikon）、佳能（Canon）等。1.3数码相机的结构l数码相机是一个相当复杂的光、机、电结合体，以下以佳能（Canon）EOS350D专业单反数码相机；索尼F-828商业级数码相机；卡西欧（Casio）EX-Z57超薄时尚数码相机为例，简要介绍一下数码相机的内部和外部构造。佳能EOS300D的内部构造图数码单反CANONEOS350D正面图CANONEOS350D背面图CANONEOS350D俯视图商业级SonyF-
5、828构造图SonyF-828正面、背面图SonyF-828侧面、俯视图SonyF-828镜头、闪光灯SonyF-828机身可旋转、底部SonyF-828电池存储卡仓SonyF-828其他部件入门级：CASIOEX-Z57正面图CASIOEX-Z57背面带底座图CASIOEX-Z57侧面图1.4数码相机的成像原理与成像器件l虽然数码相机的流行还是这几年的事情，但数字影像的历史可以追溯到19世纪。1873年，科学家JosephMay等发现化学元素硒（Selenium）的结晶体感光后可以产生电流，由此拉开了数字影像的序幕。此后的一百多年间，数字影像技术得到了迅猛的发展，其中的关键是电子影像感应器（
6、EIS，ElectronicImageSensor）。1.4.1电子影像感应器（EIS）lEIS可以接收光线信号，并根据光线的强弱产生相应的电流，因此EIS也被称为光电感应器，然后通过系统处理，再将电信号转化为图像数据。这样光学图像就变成了数字图像。lEIS广泛应用于各种摄影摄像设备、天文望远镜、扫描仪、传真机和医用内窥镜等。常见的电子影像感应器（一）lPMT（PhotoMultiplierTube）光学倍增管：体积较大，价格高昂，主要用于印刷、出版和工程分析的滚筒扫描仪，是成像效果最好的电子影像感应器。lCCD（ChargeCoupledDevice），即电荷耦合器。1969年由贝尔实验室发
7、明，体积小巧，可用于数码相机、数码摄像机和扫描仪等。感光能力与质量稍低于PMT。常见的电子影像感应器（二）lCMOS（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor），即互补性金属氧化物半导体。原来用于传感器领域，从98年开始用于数字影像，结构较CCD简单，成本低，但成像质量也低于CCD。l用于数码相机的电子影像传感器主要是CCD和CMOS。1.4.2数字影像工作原理l下面我们以CCD为例简单介绍一下，数码相机是如何形成一幅数码照片的。l数码相机成像所需的重要部件分别为：lCCD、放大器、ADC（Analog/DigitalConverter、模拟/数字信号转换器）
8、、DSP（数字信号处理器）、存储器等。成像原理光图像R/G/BCCDDSP存储器LCD镜头组数字或视频接口CCD上覆盖一层彩色滤镜；CCD部分包括放大器和ADC数字图像经过彩色修正、白平衡处理、编码为相应图像格式和分辨率1.4.3成像器件lCCD影像感应器目前已大部份被使用在数码相机上，而近年来CMOS感应器也逐渐开始出现在数码相机的市场当中。lCMOS具备了许多CCD所没有一些优势，例如：省电、高集成度、成本更低等等。l因此就未来影像感应技术的发展来看，数码相机的影像感应器市场将会是CCD与CMOS的兵家必争之地。像素的定义和原理l每一个CCD都是由很多感光元件组成的，这些感光元件呈矩阵排列
9、。一个感光元件对应一个像素，数码相机所标注的CCD分辨率（像素值）也就是CCD上感光元件的数量。比如一款标称210万像素的数码相机，即表示它的CCD上有210万个感光元件。感光元件越多，CCD分辨率越高，成像尺寸越大。补充：像素的原理l像素是组成图像的基本单位。像素是一个小的方形的颜色块，每个像素都被分配了一个特定的位置和颜色值。l一个图像通常由许多像素组成，这些像素被排成横行或纵列。当使用缩放工具将图像放大到足够大时，就可以看到类似马赛克的效果，其中的每个小方块就是一个像素。l单位面积内的像素越多，图像的分辨率（ppi）就越高，图像效果就越好。像素的示例放大4倍放大8倍CCD的外观图显微镜下
10、的CCD表面CCD的结构图成像区域放大器每块CCD正面结构图感光元件电荷缓存器CCD表面的滤镜关于CCD的成像质量l除了CCD的像素值外，CCD的尺寸也是成像的关键。我们常见的CCD尺寸有1/2英寸，2/3英寸，1/2.7英寸。它表示CCD对角线的长度。相同像素的CCD，尺寸越大，感光元件的动态范围等指标就越好，性能也就越好。l要想进一步提升CCD像素值，有两个办法，其一保持现有CCD尺寸，提高工艺缩小感光元件的单位面积，这也是现在常用的方法；l另一种是，加大CCD的面积，但这么作成本较高，厂商一般不愿意。关于滤镜lCCD原本是一种只能感受黑白颜色的传感器，为了能够增加颜色信息，所以在CCD的
11、各个像素前面添加了色彩滤镜，只让特定颜色的光线通过，从而获得了颜色信息。l以原色滤镜为例，每一种滤镜都是4个一组，覆盖在每一个像素上（每一个感光元件上）。每一组原色系的滤镜包括1个红（R）、2个绿（G）和1个蓝（B），以G-R-G-B的方式排列。光线中的色彩光线中的色彩可见光是电磁光谱中非常小的一部分红色光线有最长的波长，而紫色光线的波长最短。三原色l自然界中的三原色通常是指：l红（Red）l绿（Green）l蓝（Blue）l自然界中的白光（如阳光）是由这三种原色叠加而成的。l原色，意味着由它们可以生成其它的所有颜色。白色的光线是由三原色相互混合而成的。由于这三色光混合产生的颜色比原来的颜色亮
12、度值高，所以这三原色称为加色三原色：红色红色绿色绿色蓝色蓝色加色过程加色过程加色三元色的应用与RGB模式l计算机显示器与电视机屏幕原理相同。l都是在屏幕上分别由能打出R（红色）、G（绿色）、B（蓝色）三色荧光的电子枪扫描合成各种颜色的。lRGB颜色模式。原色滤镜颜色的还原l当光线经过滤镜透射到感光元件上，生成电信号后，经放大转换，最后输入到DSP（数字信号处理器）中，DSP会根据信号的强弱运算出每一个像素的RGB值。l这种方法简单、成本低，但是成像的颜色不够锐利。SuperCCDlSUPERCCD由富士公司独家研制，它并没有采用常规正方形二极管，而是使用了一种八边形的二极管，像素是以蜂窝状形式
13、排列，并且单位像素的面积要比传统的CCD大。将像素旋转45度排列的结果是可以缩小对图像拍摄无用的多余空间，光线集中的效率比较高，效率增加之后使感光性、信噪比和动态范围都有所提高。l富士公司宣称，SUPERCCD可以实现较高的感光度，颜色的再现也大幅改善，电量消耗减少了许多。富士公司宣称SUPERCCD可与多40%像素的传统CCD的分辨率相媲美，因此，富士公司和他们的SUPERCCD一推出即在业界引起了广泛的关注。SuperCCD传统CCD与SuperCCDSuperCCDlSUPERCCD采用蜂窝状的八边二极管，感光二极管就有更多的空间；在排列结构上比普通CCD要紧密，此外像素的利用率较高，也
14、就是说在同一尺寸下，SUPERCCD的感光二极管对光线的吸收程度也比较高，使感光度、信噪比和动态范围都有所提高。SuperCCD有效像素的提高l我们知道CCD对绿色不很敏感，因此是以GBRG来合成。各个合成的像素点实际上有一部分真实像素点是共用，因此图象质量与理想状态有一定差距。l而SUPERCCD通过改变像素之间的排列关系，做到了R、G、B像素相当，在合成像素时也是以三个为一组。因此传统CCD是四个合成一个像素点，而SUPERCCD只用三个就能合成一个像素点。因此SUPERCCD像素的利用率较传统CCD高，生成的像素就多了。SONY的四色CCD技术l最早在800万像素的DC：SONY-F82
15、8上使用。即RGBE四色CCD技术。l所谓四色CCD技术，就是在传统CCD的R/G/B三原色滤光镜的基础上，增减E（祖母绿）滤光镜，使得新的CCD能更真实地还原色彩，它所记录的颜色也更接近肉眼所看到的颜色。l此外，四色CCD技术还能弥补三色CCD技术在个别色彩上的不足。3CCD技术（高级摄像机使用）l一部摄像机使用3片CCD，光线通过特殊的光学棱镜，被分为R红、G绿、B蓝三种颜色。分别用一片CCD接受每一种颜色并转换为电信号，然后经过电路处理后产生图像信号，这样，就构成一个3CCD系统。l和单CCD系统相比，由于3CCD分别用三个CCD转换红、绿、篮三色信号，拍摄出来的图像从彩色还原上比单CC
16、D更准确和自然，清晰度也更高。l3CCD系统在数码相机中很少使用。CMOSlCMOS即互补性金属氧化物半导体，CMOS和CCD一样都可用来感受光线变化的半导体。CMOS主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，而CCD使用二极管做为半导体。CMOSlCMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电。这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右，这有助于改善人们心目中数码相机是“电老虎”的不良印象。l佳能在这方面有雄厚的技术力量和丰富的经验。发展到今日已经比较容易地以较低的成本制造较大大尺寸的CMOS感光芯片。lCMOS主要问题是在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而过热。暗电流如果抑制
17、得不好就十分容易出现杂点。CMOSlCMOS与CCD的图像数据扫描方法有很大差别。如果分辨率为300万像素，那么CCD传感器可连续扫描300万个电荷，扫描的方法非常简单，就好像把水桶从一个人传给另一个人，并且只有在最后一个数据扫描完成之后才能将信号放大。lCMOS传感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器。因此，CMOS传感器可以在每个像素基础上进行信号放大，采用这种方法可节省任何无效的传输操作，所以只需少量能量消耗就可以进行快速数据扫描。l如今CMOS的成像效果一点也不比传统CCD差。这种能耗低、制造相对容易的感光芯片如果能在影像的锐利度、动态范围等方面再做进一步的努力，相信CMOS是未来数码相机的发展方向。