數字相機成像原理分析

　　                                                                       數字相機成像原理分析

　　對于數字相機，成像過程遠遠比膠片上復雜。但不管數字成像技術如何發展，成像原理和基本要素還是和膠片成像過程相類似的。數字相機也有鏡頭，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，這些感光器由半導體元件構成，由數字相機的內置智能控制裝置對入射光線進行分析處理，并自動調整合適的焦距、暴光時間、色度、白平衡等參數，然后將這些數據傳送給模/數轉換器ADC（Analog Digital Converter），ADC*后把這些電子模擬信號轉換成數字信號。


　　數字相機的內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。按照這些內部處理器預設的運算法則和標準處理程序，所有數據經處理*終生成一個圖像文件，然后存儲在相機內部的電子存儲器中。當這些過程結束后，圖像文件就能夠傳輸到計算機中，經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部顯示，通過自帶的LCD顯示屏進行預覽，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、按鈕來進行參數預設，數字相機的智能控制設備則經過如上步驟繁瑣的過程不斷調整操作系統設置，從而精準記錄圖像。這一切繁雜的數據處理的全部過程就發生在你手掌中那個輕靈而精致的相機中。

　　以上僅僅是對數字相機成像技術的簡要梗概。根據具體細微設計的不同，數字相機也分成了許多種類。后面我們會分別詳細介紹數字相機成像的具體步驟。

　　圖像傳感器
　　到目前為止，人們對數字相機性能的關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字相機圖像傳感器的尺寸和密度。圖像傳感器是數字相機的核心結構，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，它們能夠與撞擊到上面的光脈沖相作用，并將其轉換成電荷信號。

　　圖像傳感器上的光敏單元數目（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）數目乘積表示，如640×480；另一種是用光敏單元總數來表示，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目指標。**個數字是傳感器上所有的像素數目，如三百三十四萬像素或者寫為3.34 Mega Pixels。**個數字是傳感器上真正用于捕捉圖像的光敏單元（激活像素）數目。**個數字一般比**個小5％左右。



　　在超凈環境中生產數字相機
　　造成這5％差別的原因有很多。在目前的傳感器制作工藝中，生產一個100％**毫無缺陷的產品幾乎是不可能的，我們通常把圖像傳感器生產過程中出現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據時的校準過程，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背景所產生的噪聲，以便在實際圖像數據中將背景噪聲加以扣除。

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

　　目前大多數的數字相機都只使用一個單圖像傳感器（CCD或者CMOS），只有少數專業級數字相機使用多個圖像傳感器——入射光被光學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字相機由于結構復雜，制作工藝要求高，所以體積比較大，而且價格昂貴。

　　有趣的是，多圖像傳感器的設備也無線性變化規律可循。在多數情況下，它們必須有三個獨立的圖像傳感器（CCD或者CMOS）分別對應紅、綠、藍三種顏色的處理工作，每一個傳感器承擔每個像素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，但是用于靜態拍攝的多傳感器數字相機中就不存在這個問題。它們內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。

　　一些三傳感器數字相機采用圖像插值運算技術，它們的三個傳感器就是各負擔*終畫面1/3的信息處理。其他的多傳感器數字相機則先將每個傳感器初始入射光信息混合后，再用復雜的算法程序進行處理合成。例如現在已經停止生產的Minolta RD-175 數字相機，它具有三個CCD傳感器，其中兩個對應于綠色的處理，第三個傳感器則兼顧紅藍兩色。（這種兩個傳感器對應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相當于一百七十萬像素左右。

　　 在許多數字相機中，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域就顯得非常重要。為達到這一目的，許多商品化的數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域。

　　因為圖像傳感器本身只能完成光電轉換而無法分辨顏色，數字相機通常采用彩色濾鏡陣列CFA（color filter array ）來實現彩色輸出。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。制造商根據不同的色彩需求來選擇不同的CFA結構，不管何種CFA結構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，努力使景物色彩準確顯示。



　　CFA讓每一個像素只感受一種顏色的光線
　　CFA結構中*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、藍色的濾鏡，而且綠色濾鏡的數量為紅色（或藍色）的兩倍。這樣做是因為人眼對綠色光波比紅藍兩色要敏感的多，所以這樣的數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？由于從科學的角度上來定義并科學測定人眼對色彩的感知是一個極其復雜的課題，所以產生了許許多多的標準，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為的數字相機的*佳色彩。

　　所有的數字相機在圖像傳感器上都裝有一個電子快門（和傳統膠片相機的機械快門不同），電子快門的作用是**調節入射光線投射到傳感器的時間。電子快門的開關控制傳感器是否接收外來光線。有些**數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，在電子快門關閉完成后，它能夠有效地防止可能產生的極少量光線入射在傳感器上的現象。這就大大降低了合成圖像上產生陰影、條紋和模糊的可能。　

　　當你面對要拍攝的景物按下一半快門的時候，數字相機會鎖定焦點和曝光值——這個步驟和傳統膠片相機是一樣的。但當你按下全部快門后，發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（在一些**的數字相機中，圖像傳感器能夠在捕捉圖像前處于休眠狀態，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，一些數字相機（例如Olympus Camedia E-100RS）能夠將*近的清洗數據存入緩存，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. 當在攝影者選擇將照相機拍攝前的電荷分布數據存入緩存或**后，數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據進行調整和設置，為拍攝做好準備。例如，控制白平衡的處理器開始設置在當前圖像條件下具體那些像素為白色，并且會調整所有色相中不為白的像素。其他比如焦距、閃光和其他參數的預設過程也與此相近。這些參數也會被存入緩存，以備后用。如果在拍攝過程中LCD顯示器也在工作的話，這些數據也將被顯示出來。

　　3. 當以上兩個步驟完成后，拍攝前的圖像傳感器設置就告結束，一切就緒后當你按動按鈕時，相機的機械快門打開并同時激活電子快門，在預設的曝光時間內接受光線，曝光結束后，機械快門也自動同時關閉。

　　4. 在數據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據清洗為止。當處理器（攝影者）啟動電子閃光設置后，數字相機會自動照射所攝景物，一個單獨的光線感應器會檢測閃光強度，檢測結果達到曝光要求后閃光燈就自動關閉。

　　由于圖像傳感器的電荷清洗過程和拍攝參數設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生了延時效應。在市面上的普通數字相機，其延時從60毫秒到1.5毫秒不等。

　　應用大容量的緩存設備和高速處理器能夠縮短延時效應。這就是為什么能夠進行高速拍攝的數字相機昂貴的原因。在這些價格不菲的專業數字相機中，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。少數數字相機具有16MB或者32MB緩存。一些帶有智能多功能芯片的圖像傳感器（多數為CMOS）的數字相機的數據傳遞速率通常比較高，這是因為和所有的數字處理系統相類似，處理器內部的帶寬和處理能力決定了數據的處理速度。

　　圖像傳感器通過將入射的光子轉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，這些電壓信號繼續傳遞至模數轉換器ADC
。

CMOS和CCD圖像傳感器的主要區別就是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*大的優勢是集成有ADC。ADC能夠直接將模擬的電壓信號直接轉換成二進制的數字信號。這些數字信號將被進一步處理后*終根據不同的色度要求形成紅、綠、藍三種色彩信道，通過相應的像素來顯示出具體的顏色和深度。

ADC將數字信息流傳遞給數字信號處理器DSP(Digital Signal Processor)——處理器的構造每種數字相機各不相同。在DSP中，大量的數字信息經一系列預設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據、分配每個像素的顏色和灰度。在單一傳感器數字相機中，如果只有一個彩色濾鏡陣列，算法程序將主要進行每個像素的顏色數據處理。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。

大多數數字相機能夠記錄下圖像傳感器所傳遞的全部圖像數據，在此基礎上，DSP就成為圖像分辨率的控制因素。例如，用一個3M像素數字相機以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面板上進行的設置，DSP就會按照設定的分辨率生成圖像。

每個廠商設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置來生成彩**像。數字相機還運用一個或者多個DSP以及其他設備來共同處理所得數據，以期達到**畫質。并且充分考慮消費者對畫質偏好的選擇權利。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，例如圖像銳化的應用，白平衡的預設等等。所以我們可以得出如下的結論，各個制造商所產數字相機的*大不同就在于圖像處理過程的種種差異。



冷暖色調對*終照片的

風格影響明顯
經過DSP處理生成的圖像數據由另一個程序處理器轉化為圖像文件——通常為JPEG、TIFF格式或者RAW原始存儲格式。和拍攝時間、拍攝預設條件相關的數據（快門速度、白平衡、暴光補償、閃光設定、時間日期設定等等）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*大畫質保證的前提下充分考慮到文件大小和處理速度之間的關系。*后，文件被存儲在相機的存儲器中。

當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取景器來觀察拍攝目標，而用LCD顯示屏來設置拍攝參數和觀察拍攝到的照片。由于數字相機的LCD顯示技術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圖像傳感器而產生的噪聲，LCD工作時發出的熱量和其他干擾因素會在*終的畫面上顯示出瑕疵。

　　大多數數字相機經常采用三種可視取景器：玻璃結構、分光結構、移動反光鏡結構
。分光結構的取景器能夠讓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和暗光條件拍攝，因為這時已經無法對景物進行取景和聚焦了。

大多數單鏡頭的膠片相機和專業數字相機都采用移動反光鏡結構的取景器。這種結構能夠使100％的光線進入拍攝者的眼中。當你按下快門，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。當反光鏡擺回原來的位置后，拍攝者就能夠繼續觀察所攝景物。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。

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

視差產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景沒有什么影響，但當你拍攝近景的時候，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取景器之后的一種新技術。它的主要結構是一個體積微小，耗能低，分辨率高的彩色顯示器。除了能夠**顯示構圖之外，大多數電子取景器還能顯示出拍攝者預設的主要參數，例如焦距、光圈、閃光等等。電子取景器現在普遍用在可攜式攝像機中。在數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往往有顯示效果不如光學取景器明亮和清晰的缺點。

在上述的連鎖處理過程中，相當一部分是幾乎同時發生在數字相機內部的。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，操作系統必須時刻對拍攝者預設的參數進行監控，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字相機而言，DSP和ASIC芯片各不相同的。目前的設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，當你要使用數字相機的時候，你需要準備許多堿性電池。這是因為當時的數字相機耗電極快，往往你所需的一組照片還沒有拍攝完畢就需要更換電池。這一現象現在已經有所改觀，今天的數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。許多數字相機現在已經不用堿性電池，而改用可充式鎳氫電池或者鋰離子電池。少數制造商（例如Sony）還研發出智能電池，這種電池用在數字相機中能夠**顯示電能所能維持的剩余時間。

數字相機的發展趨勢是復雜化、多器件和多功能化。在這種背景下，電能消耗將持續增長，能源技術將成為數字相機發展的一個重要研究領域。