数码相机工作原理

数码相机工作原理

在过去二十年里，消费电子产品的大多数重要技术突破实

际上可归结于一项更大意义上的突破。仔细观察就会发

现，CD 、DVD 、高清电视、MP3和DVR 其实都是基于相同的原理，即：将传统的模拟信息（用起伏波表示）转变为数

字信息（用1和0，或比特表示）。这一技术上的根本转

变完全改变了我们处理图像和声音信息的方式，使许多事

情成为可能。

数码相机的出现是这一转变最显著的例子——它与传统

相机存在本质上的差异。传统相机完全依赖化学和机械工

艺——你甚至不需要用电来操作相机。而所有数码相机都

内置有计算机，并且都以电子形式记录图像。 这种新方法已经获得巨大成功。由于目前胶卷提供的照片质量仍然高于数码相机，因此数码相机还没有完全取代传统相机。但是，随着数字图像技术的进步，数码相机已经迅速超越传统相机，将变得更加普及。

在这篇文章中，我们将一起了解这类神奇数码装置的具体工作原理。

了解基本原理

假设你想拍一张照片并通过电子邮件发送给朋友。要实现这

一点，你必须借助计算机能够识别的语言来表示这个图像，

即比特和字节。数字图像本质上仅仅是由1和0组成的长字

串，1和0可用来表示微小的色点（或像素），所有色点（或像素）共同组成图像。（有关数据的取样及数字化表示方面

的信息，请参见对声波数字化进行的说明。光波数字化的原

理与此类似。）

如果你希望将一张照片转变成数字形式，可以采用两种方法：

? 第一种方法是先使用传统胶卷相机拍摄一张照片，然后通过化学方式处理胶卷，并将其打印在相纸上，然后使用数字扫描仪对打印照片进行取样（将光图记录为一系列的像素值）。

? 第二种方法是可以直接对拍摄对象所反射的原始光进行采样，直接将光图分解为一系列像素值。换句话说，你可以使用数码相机。

从最根本来说，这正是数码相机要实现的功能。数码相机也和传统相机一样，包含一系列镜片，使光线聚焦、景物成像。但是，数码相机不是使光线聚焦在胶卷上，而是聚焦在能够借助电子形式记录光的半导体装置中，然后通过计算机将这种电子信息分解为数字数据。数码相机正是因为这一过程而变得好玩和有趣。

尼康数码相机

数码相机工作原理

在以下几个部分，我们将一起了解数码相机是如何实现这些功能的。

无胶卷相机

数码相机不用胶卷，而是使用传感器将

光转化为电荷。

大多数数码相机所使用的图像传感器是电荷耦合装置

（CCD ）。而有些数码相机使用互补金属氧化物半导体

（CMOS ）技术。CCD 和CMOS 图像传感器都能够将光转化为

电子。如果你已经阅读了太阳能电池工作原理，你就会了

解完成这种转化的相关技术。理解这类传感器的一种简便

方法就是想象存在由几千或几百万个微小太阳能电池组

成的二维矩阵。

传感器将光转化为电子后，读取图像中每个“电池”的值

（累积电荷）。两类主要传感器之间存在的差异就体现在

这个环节： ? CCD 将电荷传送到芯片上并在矩阵的某个角落读取电荷。接着由模数转换器（ADC ）

测量每个感光单元的电荷数量并将测量结果转换为二进制形式，从而将每一个像

素的值转换为二进制数字形式的值。

? CMOS 装置则在每一个像素中使用几个晶体管，并借助更多传统的电路将电荷放大并

移动。由于CMOS 信号是数字信号，因此无需使用ADC 。

两类传感器各有优缺点：

CMOS 图像传感器

? CCD 传感器形成的图像质量高、噪声低。CMOS 传

感器通常更容易受到噪声的影响。 ? 由于CMOS 传感器中的每一个像素旁边都存在多个

晶体管，因此CMOS 芯片的感光度更低。许多光子没有撞击到光敏二极管，而是撞击到这些晶体管上。

? CMOS 通常消耗很少的能量。而CCD 则不同，其使

用的工序耗能很大。CCD 消耗的能量是同等CMOS

传感器的100倍。

? CCD 传感器投入量产的时间更长，因此更加成熟。

这类传感器具有更高的像素质量和数量。 虽然两类传感器存在许多差异，但它们在相机中的作用是相同的，都是将光转化为电。如果只是为了了解数码相机的工作原理，可以把它们看作是几乎相同的装置。

分辨率

相机能够捕捉到的细节度称为分辨率，用像素来衡量。相机的像素越多，能够拍摄的细节就越多，照片也就可以越大而不变得模糊或产生“颗粒”。

常见的几种分辨率包括：

? 256x256：

在非常廉价的相机中可以找到，由于分辨率太低，画质几乎总会无法让人接受。总像素为65000。

? 640x480：这是大多数真正意义上的相机所具有的起始分辨率，是通过电子邮件发送

或在网站发布照片的理想选择。

? 1216x912：图像大小达到百万像素（总像素为1109000），可用来打印照片。

? 1600x1200：总像素接近200万，属于“高分辨率”。你可以用大约10 x 13厘米的

相纸打印用该分辨率拍摄的照片，其质量和照相馆拍出来的不相上下。

? 2240x1680：在400万像素相机中可以找到这种分辨率，该分辨率允许打印更大的照

片，能够获取高质量打印效果的最大图像尺寸大约是41 x 51厘米。

? 4064x2704：这是目前业界较高技术水平的1110万像素数码相机在拍照时使用的分

辨率。如果使用这种分辨率，你可以打印的照片尺寸大约是34 x 23厘米，而画

质不会出现任何失真。

DALSA 供图 CCD 传感器

Morguefile供图

使用不同分辨率拍摄的图像大小

高端相机能够捕捉超过1200万像素的图像。某些专业相机支持超过1600万像素，大幅相机甚至达到2000万像素。相比较而言，惠普公司 (Hewlett Packard) 估计，35mm胶卷的质量大约为2000万像素。

接着，让我们一起来了解相机是如何给这些图像上色的。

遗憾的是，每个感光单元都是色盲。感光单元只能记录照射到其表面的光线总强度。为了获得全彩图像，多数传感器都使用滤镜，将光线转换为三种基本颜色。相机记录下这三种颜色之后，再将它们组合形成完整的光谱。

？

数码相机记录这三种颜色的方式有多种。质量最好的相机使用三个独立的传感器，各自使用不同的滤镜。光束分束器将光导向不同的传感器。想象光进入相机就和水流过水管一样，使用光束分束器就像是将相同数量的水分流到三条不同的水管中。每个传感器都以同样的方式捕获图像，但是因为使用的滤镜不同，每个传感器只能对一种基本颜色做出响应。

原始图像（左）在光束分束器中被分割

这种方法的优点是相机在每个像素位置记录下这三种颜色。遗憾的是，使用采用这种方法的相机通常体积较大，价格昂贵。

另一种方法是在唯一的传感器前面旋转一系列红、蓝、绿滤镜，该传感器快速连贯地记录这三种独立的图像。这种方法能够提供每个像素位置的三色信息，但是，由于这三种图像不是在精确的同一时刻拍摄，相机和拍照对象必须为这三次记录保持静止状态。这种方法对于抓拍摄影或手持相机来说不实用。

这两种方法都非常适合专业的摄影棚相机使用，但它们不一定适用于随意抓拍。一个用来记录基本颜色的更加经济实用的方法是在每个独立的感光单元上面永久放置一个称为“色彩滤镜矩阵”的滤镜。通过将传感器分割成红、蓝、绿各种像素，每个传感器周围都能够获取足够的信息，从而能够对该位置的真实颜色做出非常准确的判断。参照同一传感器相邻位置的其他像素并做出有根据的判断过程称为“插补”。

最常见的滤镜模式为贝尔滤镜模式。该模式交替使用一排红、绿滤镜和一排蓝、绿滤镜。像素并不是平均分布：绿色像素的数量是蓝色和红色像素数量的总和。这是因为人眼对这三种颜色的敏感程度不同，因此必须包含更多的绿色像素信息，以便在视觉上形成“真实颜色”的图像。

这种方法的优点是仅使用一个传感器，而且所有颜色信息（红、蓝、绿）都是在同一时刻记录的。这就意味着相机外形可以做得更小、价格更便宜且适用场合更加广泛。贝尔滤镜传感器的原始输出是由强度不等的红、绿、蓝像素组成的马赛克。

数码相机使用专用的去马赛克算法将这个马赛克转换成具有真实颜色、大小相等的马赛克。关键是每个色彩像素都被多次使用。某个像素的真实颜色由其周围最近的像素值的平均数确定。

某些单传感器相机使用不同于贝尔滤镜模式的其他方案。例如X3 技术就在硅中置入红、绿、蓝光探测器。某些更先进的相机不是组合红、绿、蓝，而是使用排版颜色（青、黄、绿、绛红）对数值进行减法运算。甚至还有使用两个传感器的方法。然而，当今市场的多数消费相机都是使用单个传感器，交替使用绿、红和绿、蓝滤镜排。

曝光与聚焦

数码相机和使用胶卷的传统相机一样，也需要控制进入传感器的光线数量。数码相机使用两个要素来实现这一点：光圈和快门速度，这两个要素也存在于传统相机。

?光圈：相机的开孔大小。多数数码相机使用自动光圈，但是也有一些允许手动调节光圈，方便专业人士和业余爱好者更好地控制最终图像。

?快门速度：光线通过光圈的时间总和。数码相机使用的光传感器和胶卷相机不同，光传感器可以用电子方式进行重置，因此数码相机使用的是数字快门，而不是机械

快门。

以上两个要素相互配合，共同捕捉形成高质量图像所需的光线数量。用摄影术语来说就是，两者共同调节传感器的曝光。你可以阅读相机工作原理，了解有关相机光圈和快门速度的知识。

相机除了要控制光线数量以外，还必须调节镜头，以控制光线在传感器上的聚焦方式。数码相机的镜头通常和传统相机镜头非常相似，甚至有些数码相机也使用传统镜头。大部分数码相机采用自动聚焦技术，你可以阅读自动聚焦相机工作原理一文以了解更多相关信息。 然而，焦距是数码相机镜头和35mm 相机镜头之间的一项重大差异。焦距是指镜头到传感器表面的距离。不同制造商生产的传感器规格差别很大，但它们通常都比一张35mm 胶卷短。为了将图像映射到更小的传感器上，焦距也按照相同的比例缩短。（要了解更多有关传感器规格的知识及其与35mm 胶卷有何不同，请访问 https://www.360docs.net/doc/667193012.html, 网站。）

此外，当你在相机中浏览时，焦距可以用来确定图像的缩放比例。在35mm 相机中，使用50mm 镜头可以获得拍摄对象的正常比例图像。扩大焦距可以使拍摄对象放大，看起来距离更近；缩小焦距则效果相反。变焦镜头是指可调节焦距的镜头，数码相机可以使用光学变焦或数字变焦，有些两者都可使用。此外，有些相机还具备微距调焦功能，即相机可以靠近对象做近距离拍摄。

数码相机使用以下四种镜头：

? 定焦镜头：这是廉价的一次性胶卷相机所使用的镜头，价格便宜且非常适合抓拍，但是很受局限。 ?

可自动调焦的光学变焦镜头：类似于摄像机的镜头，具备“广角”与“远摄”选项和自动聚焦功能。相机支持或不支持手动调焦。这种镜头不只是将撞击到传感器上的信息放大，而是真正改变了镜头的焦距。 ?

数字变焦镜头：有了数字变焦，相机就能够在图像传感器中央获取像素并进行插补，以形成完整大小的图像。这种方法形成的图像可能有颗粒感或较模糊，具体取决于图像的分辨率和传感器。可以用图像处理软件手动演示这种效果：随便拿出一张照片，将照片中央部分剪切掉再放大。 ? 可更换镜头：这和35mm 相机使用的可更换镜头类似。某些数码相机可以使用35mm

相机所使用的镜头。

接着，让我们一起来了解相机如何存储照片并将照片发送到计算机。

多数数码相机都有一个LCD 屏，因此，你可以立即浏览拍摄的照片。这是数码相机的一个主要优点：你可以立即看

到自己所拍照片的效果。当然，如果你只满足于通过相机浏览图像，就不免有点小看了数码相机的魅力。其实，你

还可以将照片加载到计算机或直接发送到打印机。实现这

些功能的方法很多。 早期数码相机在相机中包含固定存

储器，使用者需要借助线缆将相机直接连接到计算机，

实现图像传输。如今多数相机都能够通过串口、并口、SCSI

口、USB 口或FireWire 口实现连接，但它们通常还需要使

用某种移动存储设备。 数码相机使用多种存储系统。这些存储设备就像可重复使

用的数字胶卷，可借助盒式阅读器或读卡器将数据传输到计算机。许多相机包含固定或可移

HSW Shopper 供图 CF 闪存卡

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不论数码相机使用何种存储设备，都需要大量空间来存储照片。数码相机通常将图像存储为以下两种格式的一种：非压缩格式TIFF和压缩格式JPEG。多数相机使用JPEG文件格式存储照片，而且有时提供质量等级设置（例如中或高）。以下图表显示的是不同规格的照片产生的文件大小。

为了充分利用存储空间，几乎所有数码相机都使用某种数据压缩格式，让文件变得更小。数字图像的两个特性使压缩成为可能，一个是重复性，另一个是不相关性。

可以想象，整张照片中的颜色会呈现出一些有规律的模式。例如，如果蓝天占据照片的30%，你就可以断定，某些深浅不同的蓝色会反复出现。压缩程序使用重复出现的模式不会导致信息丢失，图像还可以重建，效果和记录的完全一样。遗憾的是，这种方法无法使文件压缩超过50%，有时甚至无法接近这个水平。

不相关性更加复杂一些。数码相机记录的信息比人眼自然观察到的信息要多。某些压缩程序利用这一点，剔除一些更加没有多大意义的数据。

现在让我们来总结一下数码相机拍摄照片的原理。

总结

数码相机拍摄照片需要经过几个步骤。以下将从头到至尾回顾CCD相机的工作原理：

?将相机对准拍摄对象，调节光学变焦，使距离更近或更远。

?轻轻按下快门。

?相机自动聚焦拍摄对象并读取可用的光。

?相机设置光圈和快门速度，获得最佳曝光。

?一直按住快门。

?相机重置CCD并将其暴露在光中，同时积累电荷，直到快门关闭为止。

?ADC负责测量电荷并生成数字信号，用信号表示每个像素的电荷值。

?处理器从其他像素插补数据，生成正常颜色。多数相机在这个阶段都可以通过LCD 浏览输出结果。

?处理器可能按照预设的比例对数据进行压缩。

?信息被存储在某种形式的存储设备中（通常是闪存卡）。

HSW Shopper供图

记忆棒