第四章1数码照相机的基本原理结构及其使用

数码相机的基本原理1.与传统相机相比，传统相机使用“胶卷”作为其记录信息的载体，而数码相机的“胶卷”就是其成像感光器件，而且是与相机一体的，是数码相机的心脏。感光器是数码相机的核心，也是最关键的技术。数码相机的发展道路，可以说就是感光器的发展道路。目前数码相机的核心成像部件有两种：一种是广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一种是CMOS（互补金属氧化物导体）器件。数码相机成像过程：1.经过镜头,光聚焦在CCD（CMOS）上2.CCD（CMOS）将光转换成电信号3.经处理器加工，记录在内存上4.通过显示器表示，或经打印机打印（1）电荷藕合器件图像传感器CCD（ChargeCoupledDevice），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。（2）互补性氧化金属半导体CMOS（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor）和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带–电）和P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点,这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。（3）在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。到目前为止，市面上绝大多数的消费级别以及高端数码相机都使用CCD作为感应器；CMOS感应器则作为低端产品应用于一些摄像头上，若有哪家摄像头厂商生产的摄想头使用CCD感应器，厂商一定会不遗余力地以其作为卖点大肆宣传，甚至冠以“数码相机”之名。一时间，是否具有CCD感应器变成了人们判断数码相机档次的标准之一。（4）由于CMOS传感器便于大规模生产，且速度快、成本较低，将是数字相机关键器件的发展方向。目前，在佳能（CANON）等公司的不断努力下，新的CMOS器件不断推陈出新，高动态范围CMOS器件已经出现，这一技术消除了对快门、光圈、自动增益控制及伽玛校正的需要，使之接近了CCD的成像质量。另外由于CMOS先天的可塑性，可以做出高像素的大型CMOS感光器而成本却不上升多少。相对于CCD的停滞不前相比，CMOS作为新生事物而展示出了蓬勃的活力。作为数码相机的核心部件，CMOS感光器以已经有逐渐取代CCD感光器的趋势，并有希望在不久的将来成为主流的感光器。（5）影像感光器件因素对于数码相机来说，影像感光器件成像的因素主要有两个方面：一是感光器件的面积；二是感光器件的色彩深度。第一、感光器件面积越大，成像较大，相同条件下，能记录更多的图像细节，各像素间的干扰也小，成像质量越好。但随着数码相机向时尚小巧化的方向发展，感光器件的面积也只能是越来越小。第二、除了面积之外，感光器件还有一个重要指标，就是色彩深度，也就是色彩位，就是用多少位的二进制数字来记录三种原色。非专业型数码相机的感光器件一般是24位的，高档点的采样时是30位，而记录时仍然是24位，专业型数码相机的成像器件至少是36位的，据说已经有了48位的CCD。对于24位的器件而言，感光单元能记录的光亮度值最多有2^8=256级，每一种原色用一个8位的二进制数字来表示，最多能记录的色彩是256x256x256约16,77万种。对于36位的器件而言，感光单元能记录的光亮度值最多有2^12=4096级，每一种原色用一个12位的二进制数字来表示，最多能记录的色彩是4096x4096x4096约68.7亿种。举例来说，如果某一被摄体，最亮部位的亮度是最暗部位亮度的400倍，用使用24位感光器件的数码相机来拍摄的话，如果按低光部位曝光，则凡是亮度高于256倍的部位，均曝光过度，层次损失，形成亮斑，如果按高光部位来曝光，则某一亮度以下的部位全部曝光不足，如果用使用了36位感光器件的专业数码相机，就不会有这样的问题。（6）传统的照相机胶卷尺寸为35mm，35mm为胶卷的宽度（包括齿孔部分），35mm胶卷的感光面积为36x24mm。在单反数码相机中，很多都拥有接近35mm的CCD/CMOS尺寸，例如尼康德D100，CCD/CMOS尺寸面积达到23.7x15.6，比起消费级数码相机要大很多，而佳能的EOS-1Ds的CMOS尺寸为36x24mm，达到了35mm的面积，所以成像也相对较好。现在市面上的消费级数码相机主要有2/3英寸、1/1.8英寸、1/2.7英寸、1/3.2英寸四种。CCD/CMOS尺寸越大，感光面积越大，成像效果越好。1/1.8英寸的300万像素相机效果通常好于1/2.7英寸的400万像素相机(后者的感光面积只有前者的55%)。而相同尺寸的CCD/CMOS像素增加固然是件好事，但这也会导致单个像素的感光面积缩小，有曝光不足的可能。但如果在增加CCD/CMOS像素的同时想维持现有的图像质量，就必须在至少维持单个像素面积不减小的基础上增大CCD/CMOS的总面积。目前更大尺寸CCD/CMOS加工制造比较困难，成本也非常高。因此，CCD/CMOS尺寸较大的数码相机，价格也较高。感光器件的大小直接影响数码相机的体积重量。超薄、超轻的数码相机一般CCD/CMOS尺寸也小，而越专业的数码相机，CCD/CMOS尺寸也越大。（7）最大像素，也直接指CCD/CMOS感光器件的像素，一些商家为了增大销售额，只标榜数码相机的最大像素，在数码相机设置图片分辨率的时候，的确也有拍摄最高像素的分辨率图片，但是，用户要清楚，这是通过数码相机内部运算而得出的值，再打印图片的时候，其画质的减损会十分明显。所以在购买数码相机的时候，看有效像素才是最重要的。（8）有效像素数英文名称为EffectivePixels。与最大像素不同，有效像素数是指真正参与感光成像的像素值。最高像素的数值是感光器件的真实像素，这个数据通常包含了感光器件的非成像部分，而有效像素是在镜头变焦倍率下所换算出来的值。以美能达的DiMAGE7为例，其CCD像素为524万（5.24Megapixel），因为CCD有一部分并不参与成像，有效像素只为490万。（9）光学变焦英文名称为OpticalZoom，数码相机依靠光学镜头结构来实现变焦。数码相机的光学变焦方式与传统35mm相机差不多，就是通过镜片移动来放大与缩小需要拍摄的景物，光学变焦倍数越大，能拍摄的景物就越远。光学变焦是通过镜头、物体和焦点三方的位置发生变化而产生的。当成像面在水平方向运动的时候，如下图，视觉和焦距就会发生变化，更远的景物变得更清晰，让人感觉像物体递进的感觉。（这就是光学变焦：通过改变变焦镜头中的各镜片的相对位置来改变镜头的焦距。）（10）要改变视角有两种办法，一种是光学变焦；另一种就是改变成像面的大小，即成像面的对角线长短。在目前的数码摄影中，这就叫做数码变焦。实际上数码变焦并没有改变镜头的焦距，只是通过改变成像面对角线的角度来改变视角，从而产生了“相当于”镜头焦距变化的效果。所以我们看到，一些镜头越长的数码相机，内部的镜片和感光器移动空间更大，所以变焦倍数也更大。我们看到市面上的一些超薄型数码相机，一般没有光学变焦功能，因为其机身内根部不允许感光器件的移动，而像索尼F828、富士S7000这些“长镜头”的数码相机，光学变焦功能达到5、6倍。如今的数码相机的光学变焦倍数大多在2倍－5倍之间，即可把10米以外的物体拉近至5-3米近；也有一些数码相机拥有10倍的光学变焦效果。家用摄录机的光学变焦倍数在10倍~22倍，能比较清楚的拍到70米外的东西。使用增倍镜能够增大摄录机的光学变焦倍数。如果光学变焦倍数不够，我们可以在镜头前加一增倍镜，其计算方法是这样的，一个2倍的增距镜，套在一个原来有4倍光学变焦的数码相机上，那么这台数码相机的光学变焦倍数由原来的1倍、2倍、3倍、4倍变为2倍、4倍、6倍和8倍，即以增距镜的倍数和光学变焦倍数相乘所得。（11）数码相机的最高分辨率和图像分辨率（1）最高分辨率：数码相机能够拍摄最大图片的面积，就是这台数码相机的最高分辨率，通常以像素为单位。在相同尺寸的照片（位图）下，分辨率越大，图片的面积越大，文件（容量）也越大。通常，分辨率表示成每一个方向上的像素数量，比如640×480等。图像包含的数据越多，图形文件的长度就越大，也能表现更丰富的细节。但更大的文件也需要耗用更多的计算机资源，更多的内存，更大的硬盘空间等等。在另一方面，假如图像包含的数据不够充分（图形分辨率较低），就会显得相当粗糙，特别是把图像放大为一个较大尺寸观看的时候。所以在图片创建期间，我们必须根据图像最终的用途决定正确的分辨率。这里的技巧是要首先保证图像包含足够多的数据，能满足最终输出的需要。同时也要适量，尽量少占用一些计算机的资源。分辨率和图象的像素有直接的关系，我们来算一算，一张分辨率为640×480像素的图片，那它的分辨率就达到了307，200像素，也就是我们常说的30万像素，而一张分辨率为1600×1200的图片，它的像素就是200万。这样，我们就知道，分辨率的两个数字表示的是图片在长和宽上占的点数的单位。一张数码图片的长宽比通常是4：3。附：分辨率是用于度量位图图像内数据量多少的一个参数。通常表示成ppi（每英寸像素Pixelperinch）和dpi（每英寸点）。Ppi和dpi（每英寸点数）经常都会出现混用现象。从技术角度说，“像素”（P）只存在于计算机显示领域，而“点”（d）只出现于打印或印刷领域（2）图像分辨率图像分辨率为数码相机可选择的成像大小及尺寸，单位为像素。常见的有640×480像素；1024×768像素；1600×1200像素；2048×1536像素。像素数越小，图像的面积也越小相应的其容量也越小。在实际应用中，大的像素可用于高质量的大幅面输出。在成像的两组数字中，前者为图片长度，后者为图片的宽度，两者相乘得出的是图片的像素，长宽比一般为4：3。在大部分数码相机内，可以选择不同的分辨率拍摄图片。（12）数码相机的显示屏（1）数码相机与传统相机最大的一个区别就是它拥有一个可以及时浏览图片的屏幕，称之为数码相机的显示屏，一般为液晶结构（LCD，全称为LiquidCrystalDisplay）。数码相机显示屏尺寸即数码相机显示屏的大小，一般用英寸来表示。如：2.0英寸、2.5英寸等等，目前最大的显示屏在3.5英寸。数码相机显示屏越大，一方面可以令相机更加美观，但另一方面，显示屏越大，使得数码相机的耗电量也越大。所以在选择数码相机时，显示屏的大小也是一个不可忽略的重要指标。（2）在使用LCD的时候，我们发现在不同的角度，会看见不同的颜色和反差度。这是因为大多数从屏幕射出的光是垂直方向的。假如从一个非常斜的角度观看一个全白的画面，我们可能会看到黑色或是色彩失真。（3）数码相机的LCD是非常昂贵而脆弱的，所以用户在使用的时候一定要小心，而且平时需要做保养工作。（4）LCD很脆弱，千万不要用坚硬的物体碰撞，以免摔坏了LCD屏。液晶屏表面容易脏，清洁的时侯最好用干净的干布，推荐使用镜头布或者眼睛布，不可使用有机溶剂清洗。液晶显示屏的表现会随着温度变化，在低温的时候，如果亮度有所下降，这属于正常现象。（5）旋转液晶屏即数码相机的液晶显示屏（LCD）在一个平面内能够旋转一定的角度，以适应各种环境下的拍摄角度，抢拍到角度最佳的照片，特别适合于自拍照片。数码相机的液晶屏可以分为左右旋转和上面旋转。（13）数码相机的兼容操作系统(1)通过数据连结，能在操作系统上识别数码相机并能读取数码相机记忆体内数据的操作系统，被称为兼容操作系统。(2)在微软Windows操作系统大行其道的时代，Windows98/Me/2000/Xp都能识别数码相机及其记忆体内内