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数码相机的成像原理是什么?

未知   admin   2019-03-22 06:45   
  数码相机的成像原理是什么?
 
 
 

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  数码相机采用电子元器件成像而非胶卷——这是数码相机与传统相机最本质的区别所在。数码相机的成像器件主要分为两类:

  (2)C-Y-G-M补色CCD:早些时候尼康部分数码相机使用过这种补色CCD。

  (3)R-G-B-E四色CCD:这是索尼最新发布的CCD,它比RGB原色CCD多出一个E(Emerale,翠绿)的颜色。

  2)SuperCCD:是日本富士公司的专利技术,中文名称为超级CCD,由CCD演变而成,目前已经发展到第4代。

  3)CMOS:作为数码相机成像器件出现的时间并不长,但发展却非常迅速,大有与CCD分庭抗争之势,其基本结构中的像素排列方式与R-G-B原色CCD并没有本质差别。佳能是CMOS阵营的主要支持者。

  c)色光被各滤镜相对应的感光单元感知,并产生不同强度的模拟电流信号,再由感光元件的电路将这些信号收集起来;

  d)模拟信号通过数模转换器转换成为数字信号,再由DSP对这些信号进行处理,还原成为数字影象;

  CCD技术成熟,成像质量好,毕竟它是现在应用的最广泛的成像元件,但它也有其缺点:

  1)耗电量大。早期的数码相机有“电老虎”的“美誉”,主要原因之一便来自CCD。虽然现在采用低温多晶硅显示屏等低能耗的部件在一定程度上降低了相机的功率,但CCD依然是数码相机的耗电大户——CCD从数码相机一开机便随时保持着工作状态,更是无谓地消耗大量的电能。

  2)工艺复杂,成本较高。CCD复杂的结构决定了它制造工艺的复杂性,因而到目前为止,CCD还只有为数不多的几家电子产业巨头能生产。

  3)像素提升难度大。CCD前两个缺点也直接导致了这一个缺点,CCD像素提升无非是通过两个途径:第一,保持感光元件单位面积不变而增大CCD面积,在大面积CCD上集成更多的感光元件。但是这种方式会导致CCD成品率降低,制造成本更高,功耗更大,在民用领域这是不现实的;第二,缩小感光元件单位面积,在现有水平的CCD面积上集成更多感光元件。但是这种方法会减少感光元件的单位感光面积,降低CCD整体的灵敏度和动态范围,影响画质。

  CMOS在最近几年的发展速度相当不错,大有与CCD分庭抗争之势——就连目前最顶级的DSLR(单镜头反光数码相机)柯达(Kodak)DCS14n与佳能(Canon)EOS1Ds均是采用CMOS成像。

  1)价格低廉,制造工艺简单。CMOS可以利用普通半导体生产线进行生产,不象CCD那样要求特殊的生产工艺,所以制造成本低得多。而且CMOS尺寸与成品率都不如CCD有很多限制。

  2)耗电量低。虽然CMOS的滤镜布局与CCD差别不大,但在感光单元的电路结构上却有很大差别。CMOS每个感光元件都具备独立的电荷/电压转换电路,可将光电转换后的电信号独立放大输出——这比起CCD将所有的信号全部收集起来再放大输出,速度快了很多。而且CMOS的感光元件只在感光成像时才会工作,所以比CCD更省电。但CMOS同样存在缺点,如果在使用数码相机时成像动作较多,那么CMOS在频繁的启动过程中会因为多变的电流而产生热量,导致杂波并影响画质。

  成像元件是数码相机的核心,因而正确认识它的一些重要的参数是很必要的,这对了解数码相机的基本性能、如何选购数码相机都能带来不少帮助。

  总像素——总像素是指数码相机成像元件上成像单元的数量,总像素为524万的CCD,就表示其上集成有524万个成像单元。数码相继在标示其性能时基本上都采用总像素。

  有效像素——数码相机在成像时,感光元件边缘部分会因为光线的衍射而导致成像模糊,为保证成像的质量,感光元件上这部分的成像会被舍弃,所以感光单元不能100%被利用。而被利用起来的,即得到最终图象的这部分像素就成为有效像素。

  尺寸——是指感光元件对角线的长度,常用单位为英寸。常见的有1/1.8英寸、1/2.7英寸、2/3英寸等。一般来说,感光元件尺寸越大,元件的性能与成像效果就越好。另外,数码相机的感光元件一般采用4:3的长宽比,比较特殊的则有3:2。

  ISO——是指感光元件对光线感应的灵敏程度。数值越大,灵敏度越高,常见的数值有50、80、100、160、200、400等,目前数码相机感光元件最高ISO值可达3200。须要说明的是,虽然高ISO值可以提高数码相机在黑暗环境中的成像质量,但ISO越高,对画面质量的影响就越明显,出现的噪点就越多。

  在对数码相机的特点和基本组件了解之前,下面来了解一下数码相机是如何工作的,这有利于更好地理解和掌握相机的各项关键参数,深入了解相机的性能。

  当打开相机的电源开关后,主控程序芯片开始检查整个相机,确定各个部件是否处于可工作状态。如果一切正常,相机将处于待命状态;若某一部分出现故障,LCD屏上会显示一个错误信息,并使相机完全停止工作。

  当用户对准拍摄目标,并将快门按下一半时,相机内的微处理器开始工作,以确定对焦距离、快门的速度和光圈的大小。当按下快门后,光学镜头可将光线聚焦到影像传感器上,这种CCD/CMOS半导体器件代替了传统相机中胶卷的位置,它可将捕捉到的景物光信号转换为电信号。

  此时就得到了对应于拍摄景物的电子图像,由于这时图像文件还是模拟信号,还不能被计算机识别,所以需要通过A/D(模/数转换器)转换成数字信号,然后才能以数据方式进行储存。接下来微处理器对数字信号进行压缩,并转换为特定的图像格式,常用的用于描述二维图像的文件格式包括TagTIFF(ImageFileFormat)、RAW(RawdataFormat)、FPX(FlashPix)、JFIF(JPEGFileInterchangeFormat)等,最后以数字信号存在的图像文件会以指定的格式存储到内置存储器中,那么一张数码相片就完成拍摄了,此时通过LCD(液晶显示器)可以查看所拍摄到的照片。

  前面只是简单介绍了其大致的过程,下面结合图1-1来详细地介绍相片成像的整个过程。

  (1)当使用数码相机拍摄景物时,景物反射的光线通过数码相机的镜头透射到CD上。

  (2)当CCD曝光后,光电二极管受到光线的激发而释放出电荷,生成感光元件的电信号。

  (3)CCD控制芯片利用感光元件中的控制信号线路对发光二极管产生的电流进行控制,由电流传输电路输出,CCD会将一次成像产生的电信号收集起来,统一输出到放大器。

  (4)经过放大和滤波后的电信号被传送到ADC,由ADC将电信号(模拟信号)转换为数字信号,数值的大小和电信号的强度与电压的高低成正比,这些数值其实也就是图像的数据。

  (5)此时这些图像数据还不能直接生成图像,还要输出到DSP(数字信号处理器)中,在DSP中,将会对这些图像数据进行色彩校正、白平衡处理,并编码为数码相机所支持的图像格式、分辨率,然后才会被存储为图像文件。

  (6)当完成上述步骤后,图像文件就会被保存到存储器上,我们就可以欣赏了。

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  数码相机采用电子元器件成像而非胶卷——这是数码相机与传统相机最本质的区别所在。数码相机的成像器件主要分为两类:

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  (3)R-G-B-E四色CCD:这是索尼最新发布的CCD,它比RGB原色CCD多出一个E(Emerale,翠绿)的颜色。

  2)Super CCD:是日本富士公司的专利技术,中文名称为超级CCD,由CCD演变而成,目前已经发展到第4代。

  3)CMOS:作为数码相机成像器件出现的时间并不长,但发展却非常迅速,大有与CCD分庭抗争之势,其基本结构中的像素排列方式与R-G-B原色CCD并没有本质差别。佳能是CMOS阵营的主要支持者。

  c) 色光被各滤镜相对应的感光单元感知,并产生不同强度的模拟电流信号,再由感光元件的电路将这些信号收集起来;

  d) 模拟信号通过数模转换器转换成为数字信号,再由 DSP对这些信号进行处理,还原成为数字影象;

  CCD技术成熟,成像质量好,毕竟它是现在应用的最广泛的成像元件,但它也有其缺点:

  1) 耗电量大。早期的数码相机有“电老虎”的“美誉”,主要原因之一便来自CCD。虽然现在采用低温多晶硅显示屏等低能耗的部件在一定程度上降低了相机的功率,但CCD依然是数码相机的耗电大户——CCD从数码相机一开机便随时保持着工作状态,更是无谓地消耗大量的电能。

  2) 工艺复杂,成本较高。CCD复杂的结构决定了它制造工艺的复杂性,因而到目前为止,CCD还只有为数不多的几家电子产业巨头能生产。

  3) 像素提升难度大。CCD前两个缺点也直接导致了这一个缺点,CCD像素提升无非是通过两个途径:第一,保持感光元件单位面积不变而增大CCD面积,在大面积CCD上集成更多的感光元件。但是这种方式会导致CCD成品率降低,制造成本更高,功耗更大,在民用领域这是不现实的;第二,缩小感光元件单位面积,在现有水平的CCD面积上集成更多感光元件。但是这种方法会减少感光元件的单位感光面积,降低CCD整体的灵敏度和动态范围,影响画质。

  CMOS在最近几年的发展速度相当不错,大有与CCD分庭抗争之势——就连目前最顶级的DSLR(单镜头反光数码相机)柯达(Kodak)DCS 14n与佳能(Canon) EOS 1Ds均是采用CMOS成像。

  1) 价格低廉,制造工艺简单。CMOS可以利用普通半导体生产线进行生产,不象CCD那样要求特殊的生产工艺,所以制造成本低得多。而且CMOS尺寸与成品率都不如CCD有很多限制。

  2) 耗电量低。虽然CMOS的滤镜布局与CCD差别不大,但在感光单元的电路结构上却有很大差别。CMOS每个感光元件都具备独立的电荷/电压转换电路,可将光电转换后的电信号独立放大输出——这比起CCD将所有的信号全部收集起来再放大输出,速度快了很多。而且CMOS的感光元件只在感光成像时才会工作,所以比CCD更省电。但CMOS同样存在缺点,如果在使用数码相机时成像动作较多,那么CMOS在频繁的启动过程中会因为多变的电流而产生热量,导致杂波并影响画质。

  成像元件是数码相机的核心,因而正确认识它的一些重要的参数是很必要的,这对了解数码相机的基本性能、如何选购数码相机都能带来不少帮助。

  总像素——总像素是指数码相机成像元件上成像单元的数量,总像素为524万的CCD,就表示其上集成有524万个成像单元。数码相继在标示其性能时基本上都采用总像素。

  有效像素——数码相机在成像时,感光元件边缘部分会因为光线的衍射而导致成像模糊,为保证成像的质量,感光元件上这部分的成像会被舍弃,所以感光单元不能100%被利用。而被利用起来的,即得到最终图象的这部分像素就成为有效像素。

  尺寸——是指感光元件对角线的长度,常用单位为英寸。常见的有1/1.8英寸、1/2.7英寸、2/3英寸等。一般来说,感光元件尺寸越大,元件的性能与成像效果就越好。另外,数码相机的感光元件一般采用4:3的长宽比,比较特殊的则有3:2。

  ISO——是指感光元件对光线感应的灵敏程度。数值越大,灵敏度越高,常见的数值有50、80、100、160、200、400等,目前数码相机感光元件最高ISO值可达3200。须要说明的是,虽然高ISO值可以提高数码相机在黑暗环境中的成像质量,但ISO越高,对画面质量的影响就越明显,出现的噪点就越多。

  在对数码相机的特点和基本组件了解之前,下面来了解一下数码相机是如何工作的,这有利于更好地理解和掌握相机的各项关键参数,深入了解相机的性能。

  当打开相机的电源开关后,主控程序芯片开始检查整个相机,确定各个部件是否处于可工作状态。如果一切正常,相机将处于待命状态;若某一部分出现故障,LCD屏上会显示一个错误信息,并使相机完全停止工作。

  当用户对准拍摄目标,并将快门按下一半时,相机内的微处理器开始工作,以确定对焦距离、快门的速度和光圈的大小。当按下快门后,光学镜头可将光线聚焦到影像传感器上,这种CCD/CMOS半导体器件代替了传统相机中胶卷的位置,它可将捕捉到的景物光信号转换为电信号。

  此时就得到了对应于拍摄景物的电子图像,由于这时图像文件还是模拟信号,还不能被计算机识别,所以需要通过A/D(模/数转换器)转换成数字信号,然后才能以数据方式进行储存。接下来微处理器对数字信号进行压缩,并转换为特定的图像格式,常用的用于描述二维图像的文件格式包括Tag TIFF(Image File Format)、RAW(Raw data Format)、FPX(Flash Pix)、JFIF(JPEG File Interchange Format)等,最后以数字信号存在的图像文件会以指定的格式存储到内置存储器中,那么一张数码相片就完成拍摄了,此时通过LCD(液晶显示器)可以查看所拍摄到的照片。

  前面只是简单介绍了其大致的过程,下面结合图1-1来详细地介绍相片成像的整个过程。

  (1)当使用数码相机拍摄景物时,景物反射的光线通过数码相机的镜头透射到CD上。

  (2)当CCD曝光后,光电二极管受到光线的激发而释放出电荷,生成感光元件的电信号。

  (3)CCD控制芯片利用感光元件中的控制信号线路对发光二极管产生的电流进行控制,由电流传输电路输出,CCD会将一次成像产生的电信号收集起来,统一输出到放大器。

  (4)经过放大和滤波后的电信号被传送到ADC,由ADC将电信号(模拟信号)转换为数字信号,数值的大小和电信号的强度与电压的高低成正比,这些数值其实也就是图像的数据。

  (5)此时这些图像数据还不能直接生成图像,还要输出到DSP(数字信号处理器)中,在DSP中,将会对这些图像数据进行色彩校正、白平衡处理,并编码为数码相机所支持的图像格式、分辨率,然后才会被存储为图像文件。