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1、第一部分 数码相机的基础知识,（上）2005-04-11,内容提要（上）,数码相机的功能特点；数码相机的分类；数码相机的结构；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,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。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,在拍摄同时，通过LCD可以预览当前的图像，是否满意，不满意可以立即删除，十分方便。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
2、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。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,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。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,家用入门级数码相机：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、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。商业级
3、高档数码相机：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,专业级数码相机：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。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。适合专业摄影师和资深摄影爱好者
4、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,数码相机是一个相当复杂的光、机、电结合体，以下以佳能（Canon）EOS 350D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 Sony F-828构造图,Sony F-828正面、背面图,Sony F-828侧面、俯视图,Sony F-82
5、8镜头、闪光灯,Sony F-828机身可旋转、底部,Sony F-828电池存储卡仓,Sony F-828 其他部件,入门级：CASIO EX-Z57 正面图,CASIO EX-Z57背面带底座图,CASIO EX-Z57侧面图,1.4 数码相机的成像原理与成像器件,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Joseph May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（EIS，Electronic Image Sensor
6、）。,1.4.1 电子影像感应器（EIS）,EIS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。EIS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）,PMT（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。CCD（Charge Coupled Device），即电荷耦合器。1969年由贝尔实验室发明，体积小巧，可用于数码相机、数码摄像机和扫
7、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）,CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor），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。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,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。数码相机成像所需的重要部件分别为：CCD、放大器、ADC（Analog/Digital Converter、模拟/数字信号转换器）、DSP（数字信号处理器）、存储器等。
8、,成像原理,光图像,R/G/BCCD,DSP,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,CCD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。CMOS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。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,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。一个感光元件对
9、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,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。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。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,CCD的外观图,显微镜下的CCD表面,CCD的结构图
10、,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,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。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；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,CCD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的各个像素前面添
11、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。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,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,自然界中的三原色通常是指：红（Red）绿（Green）蓝（Blue）自然界中的白光（如阳光）是由这三种原色叠加而成的。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度值高，所以这三原色称为加色三
12、原色：红色绿色蓝色,加色过程,加色三元色的应用与RGB模式,计算机显示器与电视机屏幕原理相同。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。RGB颜色模式。,原色滤镜,颜色的还原,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。这种方法简单、成本低，但是成像的颜色不够锐利。,Super CCD,SUPER CCD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排列，并且单位像素的面积要比传统的CCD大
13、。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。富士公司宣称，SUPER CCD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SUPER CCD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SUPER CCD一推出即在业界引起了广泛的关注。,Super CCD,传统CCD与Super CCD,Super CCD,SUPER CCD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，也就是说在同一尺寸下，SU
14、PER CCD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。,Super CCD有效像素的提高,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。而SUPER CCD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SUPER CCD只用三个就能合成一个像素点。因此SUPER CCD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,最早在800万像素的DC：SONY-F828上使用。即
15、RGBE四色CCD技术。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。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）,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。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CCD更准确和自然，
16、清晰度也更高。3CCD系统在数码相机中很少使用。,CMOS,CMOS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。,CMOS,CMOS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。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。CMOS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。暗电流如果抑制得不好就十分容易出
17、现杂点。,CMOS,CMOS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。CMOS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。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。,
