數(shù)字相機成像原理分析

　　對于數(shù)字相機，成像過程遠(yuǎn)遠(yuǎn)比膠片上復(fù)雜。但不管數(shù)字成像技術(shù)如何發(fā)展，成像原理和基本要素還是和膠片成像過程相類似的。數(shù)字相機也有鏡頭，但通過鏡頭的光線不再像膠片相機中那樣投射到膠片上，而是直接射在感光器的光敏單元上，這些感光器由半導(dǎo)體元件構(gòu)成，由數(shù)字相機的內(nèi)置智能控制裝置對入射光線進行分析處理，并自動調(diào)整合適的焦距、暴光時間、色度、白平衡等參數(shù)，然后將這些數(shù)據(jù)傳送給模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC（Analog Digital Converter），ADC*后把這些電子模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。


　　數(shù)字相機的內(nèi)部還具有若干智能處理器，包括一些特定用途的集成電路（ASIC）和主CPU。按照這些內(nèi)部處理器預(yù)設(shè)的運算法則和標(biāo)準(zhǔn)處理程序，所有數(shù)據(jù)經(jīng)處理*終生成一個圖像文件，然后存儲在相機內(nèi)部的電子存儲器中。當(dāng)這些過程結(jié)束后，圖像文件就能夠傳輸?shù)接嬎銠C中，經(jīng)由打印機輸出或者顯示在電視屏幕上。同時圖像文件也能夠在相機內(nèi)部顯示，通過自帶的LCD顯示屏進行預(yù)覽，并利用相機LCD顯示屏的操作菜單進行處理，對于不滿意的圖像可以刪除后重新拍攝。

　　攝像者能夠通過相機控制面板上的眾多開關(guān)、按鈕來進行參數(shù)預(yù)設(shè)，數(shù)字相機的智能控制設(shè)備則經(jīng)過如上步驟繁瑣的過程不斷調(diào)整操作系統(tǒng)設(shè)置，從而精準(zhǔn)記錄圖像。這一切繁雜的數(shù)據(jù)處理的全部過程就發(fā)生在你手掌中那個輕靈而精致的相機中。

　　以上僅僅是對數(shù)字相機成像技術(shù)的簡要梗概。根據(jù)具體細(xì)微設(shè)計的不同，數(shù)字相機也分成了許多種類。后面我們會分別詳細(xì)介紹數(shù)字相機成像的具體步驟。

　　圖像傳感器
　　到目前為止，人們對數(shù)字相機性能的關(guān)注大部分集中在所攝圖片的像素高低上。像素的高低直接取決于數(shù)字相機圖像傳感器的尺寸和密度。圖像傳感器是數(shù)字相機的核心結(jié)構(gòu)，主要分為CCD (Charge-Coupled Device)光電荷耦合器件和CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 互補金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路兩種。圖像傳感器由具有光傳感單元和光敏二極管列陣硅芯片制成。這些光傳感單元與像素高低直接相關(guān)，它們能夠與撞擊到上面的光脈沖相作用，并將其轉(zhuǎn)換成電荷信號。

　　圖像傳感器上的光敏單元數(shù)目（像素）有兩種表示方法。一是用X/Y軸方向（即傳感器的寬度和高度方向）數(shù)目乘積表示，如640×480；另一種是用光敏單元總數(shù)來表示，如一百萬像素。

　　制造商通常對于給定的圖像傳感器會給出兩個像素數(shù)目指標(biāo)。**個數(shù)字是傳感器上所有的像素數(shù)目，如三百三十四萬像素或者寫為3.34 Mega Pixels。**個數(shù)字是傳感器上真正用于捕捉圖像的光敏單元（激活像素）數(shù)目。**個數(shù)字一般比**個小5％左右。



　　在超凈環(huán)境中生產(chǎn)數(shù)字相機
　　造成這5％差別的原因有很多。在目前的傳感器制作工藝中，生產(chǎn)一個100％**毫無缺陷的產(chǎn)品幾乎是不可能的，我們通常把圖像傳感器生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的有缺陷光敏單元稱為暗像素或者缺陷像素。還有部分像素被用于其它方面，例如用于從傳感器讀取數(shù)據(jù)時的校準(zhǔn)過程，或者為了保證圖像比例而故意不使用。很小的一部分處在傳感器邊緣區(qū)域的像素被人為遮蔽，避免接受外來光線，而是用于檢測CCD背景所產(chǎn)生的噪聲，以便在實際圖像數(shù)據(jù)中將背景噪聲加以扣除。

　　需要技術(shù)的像素數(shù)與CCD尺寸關(guān)系不是線性的，從三百萬像素提高到四百萬像素像素數(shù)增加了一百萬，但CCD尺寸并不會增加25%，甚至有可能沒什么變化。

　　目前大多數(shù)的數(shù)字相機都只使用一個單圖像傳感器（CCD或者CMOS），只有少數(shù)專業(yè)級數(shù)字相機使用多個圖像傳感器——入射光被光學(xué)棱鏡分成相等的部分后再被多個圖像傳感器接收。使用多個圖像傳感器可以減少不同顏色之間的干擾，并且消除圖像邊緣的偏色問題。這些多圖像傳感器的數(shù)字相機由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作工藝要求高，所以體積比較大，而且價格昂貴。

　　有趣的是，多圖像傳感器的設(shè)備也無線性變化規(guī)律可循。在多數(shù)情況下，它們必須有三個獨立的圖像傳感器（CCD或者CMOS）分別對應(yīng)紅、綠、藍(lán)三種顏色的處理工作，每一個傳感器承擔(dān)每個像素1/3的信息處理量。在一個3百萬像素的三傳感器的攝像機中，每一個傳感器都必需是三百萬像素的，但是用于靜態(tài)拍攝的多傳感器數(shù)字相機中就不存在這個問題。它們內(nèi)部多傳感器對信息的處理方式隨著制造商、相機類型的不同而迥異。

　　一些三傳感器數(shù)字相機采用圖像插值運算技術(shù)，它們的三個傳感器就是各負(fù)擔(dān)*終畫面1/3的信息處理。其他的多傳感器數(shù)字相機則先將每個傳感器初始入射光信息混合后，再用復(fù)雜的算法程序進行處理合成。例如現(xiàn)在已經(jīng)停止生產(chǎn)的Minolta RD-175 數(shù)字相機，它具有三個CCD傳感器，其中兩個對應(yīng)于綠色的處理，第三個傳感器則兼顧紅藍(lán)兩色。（這種兩個傳感器對應(yīng)于綠色的處理方式與單傳感器中Bayer彩色濾色陣列的工作原理類似，下面將詳述）。在RD-175中，每個傳感器都不到五十萬像素，但是它們通過算法程序處理后的畫質(zhì)相當(dāng)于一百七十萬像素左右。

　　 在許多數(shù)字相機中，傳感器的每個像素只有一部分位置是感光性的，而且只能感受某一特定方向入射的光線。因此，如何盡可能的使光線直接投射到像素感光區(qū)域就顯得非常重要。為達到這一目的，許多商品化的數(shù)字相機圖像傳感器中，每個像素前都有一個“微透鏡”用來保證光子直接入射到像素的感光區(qū)域。

　　因為圖像傳感器本身只能完成光電轉(zhuǎn)換而無法分辨顏色，數(shù)字相機通常采用彩色濾鏡陣列CFA（color filter array ）來實現(xiàn)彩色輸出。CFA的主要作用是讓每個像素只感受單一顏色的光線，*終重新組合出彩色的圖像。制造商根據(jù)不同的色彩需求來選擇不同的CFA結(jié)構(gòu)，不管何種CFA結(jié)構(gòu)其目的都是使所需光線通過濾鏡，使每個像素接受的光線具有單一波長。所有CFA的設(shè)計都盡量減少入射光線在相鄰像素之間的干擾，努力使景物色彩準(zhǔn)確顯示。



　　CFA讓每一個像素只感受一種顏色的光線
　　CFA結(jié)構(gòu)中*流行的是被稱為Bayer模式的彩色濾鏡列陣。主要特征為在像素前面以間隔的方式放置紅、綠、藍(lán)色的濾鏡，而且綠色濾鏡的數(shù)量為紅色（或藍(lán)色）的兩倍。這樣做是因為人眼對綠色光波比紅藍(lán)兩色要敏感的多，所以這樣的數(shù)量分配就使得人眼所見的圖像亮度適宜，更接近真實色彩。

　　究竟什么是真正的不失真的上等畫色呢？由于從科學(xué)的角度上來定義并科學(xué)測定人眼對色彩的感知是一個極其復(fù)雜的課題，所以產(chǎn)生了許許多多的標(biāo)準(zhǔn)，莫衷一是。不同的制造商則選擇采用不同的模式和運算程序來定義它們認(rèn)為的數(shù)字相機的*佳色彩。

　　所有的數(shù)字相機在圖像傳感器上都裝有一個電子快門（和傳統(tǒng)膠片相機的機械快門不同），電子快門的作用是**調(diào)節(jié)入射光線投射到傳感器的時間。電子快門的開關(guān)控制傳感器是否接收外來光線。有些**數(shù)字相機甚至還加入一個昂貴的機械快門，這并不是畫蛇添足，在電子快門關(guān)閉完成后，它能夠有效地防止可能產(chǎn)生的極少量光線入射在傳感器上的現(xiàn)象。這就大大降低了合成圖像上產(chǎn)生陰影、條紋和模糊的可能。　

　　當(dāng)你面對要拍攝的景物按下一半快門的時候，數(shù)字相機會鎖定焦點和曝光值——這個步驟和傳統(tǒng)膠片相機是一樣的。但當(dāng)你按下全部快門后，發(fā)生的事情就和膠片相機完全兩樣了。

1. **個步驟是機械快門關(guān)閉（如有機械快門的話），同時傳感器立即進行電荷清洗。這樣做的原因是因為圖像傳感器一直充盈著電荷而保持于激活狀態(tài)（在一些**的數(shù)字相機中，圖像傳感器能夠在捕捉圖像前處于休眠狀態(tài)，這樣有助于散熱和改善信噪比）。在沒有接到指令前，圖像傳感器一直以大約1/60秒的速度為周期進行電荷更替，所以，在準(zhǔn)備捕捉圖像前的瞬間，所有的剩余電荷必須被清洗干凈。

　　有趣的是，一些數(shù)字相機（例如Olympus Camedia E-100RS）能夠?qū)?近的清洗數(shù)據(jù)存入緩存，這樣你就能拍下在真正按下快門前的景象了。眾所周知，小孩和一些寵物在照相機前會不安分地動來動去，在這類拍攝情況下這樣的功能是有意義的。

　　2. 當(dāng)在攝影者選擇將照相機拍攝前的電荷分布數(shù)據(jù)存入緩存或**后，數(shù)字相機的所有程序處理器開始正式工作。其中一個處理器是將存入緩存的數(shù)據(jù)進行調(diào)整和設(shè)置，為拍攝做好準(zhǔn)備。例如，控制白平衡的處理器開始設(shè)置在當(dāng)前圖像條件下具體那些像素為白色，并且會調(diào)整所有色相中不為白的像素。其他比如焦距、閃光和其他參數(shù)的預(yù)設(shè)過程也與此相近。這些參數(shù)也會被存入緩存，以備后用。如果在拍攝過程中LCD顯示器也在工作的話，這些數(shù)據(jù)也將被顯示出來。

　　3. 當(dāng)以上兩個步驟完成后，拍攝前的圖像傳感器設(shè)置就告結(jié)束，一切就緒后當(dāng)你按動按鈕時，相機的機械快門打開并同時激活電子快門，在預(yù)設(shè)的曝光時間內(nèi)接受光線，曝光結(jié)束后，機械快門也自動同時關(guān)閉。

　　4. 在數(shù)據(jù)處理過程中電子快門會再次打開，直到攝像者按動按鈕開始為下一張相片的拍攝進行數(shù)據(jù)清洗為止。當(dāng)處理器（攝影者）啟動電子閃光設(shè)置后，數(shù)字相機會自動照射所攝景物，一個單獨的光線感應(yīng)器會檢測閃光強度，檢測結(jié)果達到曝光要求后閃光燈就自動關(guān)閉。

　　由于圖像傳感器的電荷清洗過程和拍攝參數(shù)設(shè)置過程都需要一定的時間，在攝像者按下快門后到圖像拍攝完畢之間就不可避免的產(chǎn)生了延時效應(yīng)。在市面上的普通數(shù)字相機，其延時從60毫秒到1.5毫秒不等。

　　應(yīng)用大容量的緩存設(shè)備和高速處理器能夠縮短延時效應(yīng)。這就是為什么能夠進行高速拍攝的數(shù)字相機昂貴的原因。在這些價格不菲的專業(yè)數(shù)字相機中，Nikon DH1具有128MB緩存。其他一些相機，例如Kodak誷 DCS 520, 620, 和 Fuji S1具有64MB緩存。少數(shù)數(shù)字相機具有16MB或者32MB緩存。一些帶有智能多功能芯片的圖像傳感器（多數(shù)為CMOS）的數(shù)字相機的數(shù)據(jù)傳遞速率通常比較高，這是因為和所有的數(shù)字處理系統(tǒng)相類似，處理器內(nèi)部的帶寬和處理能力決定了數(shù)據(jù)的處理速度。

　　圖像傳感器通過將入射的光子轉(zhuǎn)換成電子形成模擬信號，下一個步驟就是未被光敏單元束縛的電荷開始定向移動，通過輸出放大器形成電壓信號，這些電壓信號繼續(xù)傳遞至模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC
。

CMOS和CCD圖像傳感器的主要區(qū)別就是CMOS本身就有ADC，而CCD只能使用外部的ADC。CMOS圖像傳感器的缺點是有噪聲的影響，但是其*大的優(yōu)勢是集成有ADC。ADC能夠直接將模擬的電壓信號直接轉(zhuǎn)換成二進制的數(shù)字信號。這些數(shù)字信號將被進一步處理后*終根據(jù)不同的色度要求形成紅、綠、藍(lán)三種色彩信道，通過相應(yīng)的像素來顯示出具體的顏色和深度。

ADC將數(shù)字信息流傳遞給數(shù)字信號處理器DSP(Digital Signal Processor)——處理器的構(gòu)造每種數(shù)字相機各不相同。在DSP中，大量的數(shù)字信息經(jīng)一系列預(yù)設(shè)的程序指令后整合成完整的圖像。這些指令包括繪制圖像傳感器數(shù)據(jù)、分配每個像素的顏色和灰度。在單一傳感器數(shù)字相機中，如果只有一個彩色濾鏡陣列，算法程序?qū)⒅饕M行每個像素的顏色數(shù)據(jù)處理。算法程序通過分解臨近的像素顏色來決定某一特定像素的具體色值。如果使用RGB顏色的話，那么組成*終圖像的每個像素的顏色都可以看成是三原色的合成。通過如上步驟，*終的圖稀奧厶逞轄釗耍胱⒁餑愕撓镅裕　蓖能夠顯示出自然的顏色。

大多數(shù)數(shù)字相機能夠記錄下圖像傳感器所傳遞的全部圖像數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，DSP就成為圖像分辨率的控制因素。例如，用一個3M像素數(shù)字相機以VGA模式進行拍攝，而不是僅**定為640×480分辨率，相機將得到全部的20486×1548色彩位度。接著，通過攝像者在拍攝前在LCD面板上進行的設(shè)置，DSP就會按照設(shè)定的分辨率生成圖像。

每個廠商設(shè)計的處理程序各不相同，他們通過各不相同的色彩平衡與色飽和度設(shè)置來生成彩**像。數(shù)字相機還運用一個或者多個DSP以及其他設(shè)備來共同處理所得數(shù)據(jù)，以期達到**畫質(zhì)。并且充分考慮消費者對畫質(zhì)偏好的選擇權(quán)利。如果想要攝下本不需要的噪聲，或者通過電子快門來實現(xiàn)霧化效果，這些需求制造商都是通過對算法處理程序進行相應(yīng)的修正來滿足的。類似的程序修正還有很多，例如圖像銳化的應(yīng)用，白平衡的預(yù)設(shè)等等。所以我們可以得出如下的結(jié)論，各個制造商所產(chǎn)數(shù)字相機的*大不同就在于圖像處理過程的種種差異。



冷暖色調(diào)對*終照片的

風(fēng)格影響明顯
經(jīng)過DSP處理生成的圖像數(shù)據(jù)由另一個程序處理器轉(zhuǎn)化為圖像文件——通常為JPEG、TIFF格式或者RAW原始存儲格式。和拍攝時間、拍攝預(yù)設(shè)條件相關(guān)的數(shù)據(jù)（快門速度、白平衡、暴光補償、閃光設(shè)定、時間日期設(shè)定等等）通常一并附在該文件上。如果該文件不是RAW或者TIFF格式而且相機的功能允許的話，它還能夠按照拍攝者的意愿進行不同程度（通常為高、中、低三種）的壓縮。文件壓縮的算法程序要在*大畫質(zhì)保證的前提下充分考慮到文件大小和處理速度之間的關(guān)系。*后，文件被存儲在相機的存儲器中。

當(dāng)圖像被存儲到存儲器的同時，這些圖像也會在LCD顯示器或電子取景器上同時顯示出來。我們一般建議大家選擇光學(xué)取景器來觀察拍攝目標(biāo)，而用LCD顯示屏來設(shè)置拍攝參數(shù)和觀察拍攝到的照片。由于數(shù)字相機的LCD顯示技術(shù)只是相對粗略顯示圖像，而不能顯示出和所記錄的真實畫面同樣分辨率，所以即使是高分辨率的LCD顯示屏也很難用于精細(xì)的對焦和取景，而且LCD顯示非常費電。另一個明顯的缺點是由于接近CCD或者CMOS圖像傳感器而產(chǎn)生的噪聲，LCD工作時發(fā)出的熱量和其他干擾因素會在*終的畫面上顯示出瑕疵。

　　大多數(shù)數(shù)字相機經(jīng)常采用三種可視取景器：玻璃結(jié)構(gòu)、分光結(jié)構(gòu)、移動反光鏡結(jié)構(gòu)
。分光結(jié)構(gòu)的取景器能夠讓90％的光線通過一個透鏡到達傳感器，10％的光線被扭轉(zhuǎn)90度方向后通過五棱鏡進入觀察者的眼中。這種取景器的優(yōu)點是透鏡不會移動，減少了振動損耗并且相互連接緊密。但是它的致命缺點是不適于室內(nèi)和暗光條件拍攝，因為這時已經(jīng)無法對景物進行取景和聚焦了。

大多數(shù)單鏡頭的膠片相機和專業(yè)數(shù)字相機都采用移動反光鏡結(jié)構(gòu)的取景器。這種結(jié)構(gòu)能夠使100％的光線進入拍攝者的眼中。當(dāng)你按下快門，反光鏡立即擺離原來的位置，暫時遮蔽取景器同時將100％的光線傳遞到膠片或者圖象傳感器。當(dāng)反光鏡擺回原來的位置后，拍攝者就能夠繼續(xù)觀察所攝景物。如果這種擺動速度足夠快，反光鏡遮蔽取景器的時間就不是個大問題。

光學(xué)玻璃的取景器相對而言結(jié)構(gòu)比較簡單，價格也不貴，所以廣泛被家用型數(shù)字相機采用。它由透明玻璃制成，觀測范圍大于鏡頭的視角。它的主要優(yōu)點是無需動力，也沒有可移動的部分，而且比移動反光鏡結(jié)構(gòu)要亮一些。然而，它的缺點是不夠精準(zhǔn)（它所顯示的部分比實際鏡頭捕捉的畫面小，所以拍攝者經(jīng)常會在*后的拍攝圖像的邊緣中發(fā)現(xiàn)不必要的部分），容易產(chǎn)生視差。

視差產(chǎn)生的主要原因是由于拍攝者眼睛是位于鏡頭旁邊一兩英寸的位置，和鏡頭本身的視角有微小的差異。這種差異對于拍攝遠(yuǎn)景沒有什么影響，但當(dāng)你拍攝近景的時候，這種偏差就變得明顯起來。在微距攝影時這種偏差就大到使取景器完全失去作用了。

電子取景器是繼光學(xué)取景器之后的一種新技術(shù)。它的主要結(jié)構(gòu)是一個體積微小，耗能低，分辨率高的彩色顯示器。除了能夠**顯示構(gòu)圖之外，大多數(shù)電子取景器還能顯示出拍攝者預(yù)設(shè)的主要參數(shù)，例如焦距、光圈、閃光等等。電子取景器現(xiàn)在普遍用在可攜式攝像機中。在數(shù)字相機中電子取景器作為一種比較新和相對不成熟的技術(shù)往往有顯示效果不如光學(xué)取景器明亮和清晰的缺點。

在上述的連鎖處理過程中，相當(dāng)一部分是幾乎同時發(fā)生在數(shù)字相機內(nèi)部的。這些工作主要由一個主CPU**控制，由許多處理器和特定功能集成電路來具體檢測和完成這些繁瑣的功能。例如，操作系統(tǒng)必須時刻對拍攝者預(yù)設(shè)的參數(shù)進行監(jiān)控，使它們在指定的時間得以運用；電池消耗狀況必須時刻被顯示，以便使拍攝者能夠及時知道是否有足夠的電量完成整個圖像的拍攝，從而避免工作過程被打斷；器件監(jiān)測能夠及時顯示各部分器件是否工作正常等等。

對于不同品牌和類型的數(shù)字相機而言，DSP和ASIC芯片各不相同的。目前的設(shè)計潮流是將盡可能多的功能集中在盡可能少的芯片上，借此來降低成本和節(jié)約相機空間。

所有這些處理過程都需要大量的電能。幾年前，當(dāng)你要使用數(shù)字相機的時候，你需要準(zhǔn)備許多堿性電池。這是因為當(dāng)時的數(shù)字相機耗電極快，往往你所需的一組照片還沒有拍攝完畢就需要更換電池。這一現(xiàn)象現(xiàn)在已經(jīng)有所改觀，今天的數(shù)字相機一方面電池的儲能有所提高，另一方面耗電也在逐步下降。許多數(shù)字相機現(xiàn)在已經(jīng)不用堿性電池，而改用可充式鎳氫電池或者鋰離子電池。少數(shù)制造商（例如Sony）還研發(fā)出智能電池，這種電池用在數(shù)字相機中能夠**顯示電能所能維持的剩余時間。

數(shù)字相機的發(fā)展趨勢是復(fù)雜化、多器件和多功能化。在這種背景下，電能消耗將持續(xù)增長，能源技術(shù)將成為數(shù)字相機發(fā)展的一個重要研究領(lǐng)域。