数码相机成像原理

　　数码相机成像原理

        传统相机使用碘化银感光材料(即胶片)作为保存影像的载体。人们通过镜头将影像的光线汇聚，再通过按动快门打开快门帘将汇聚的光线投射到胶片上，胶片中的碘化银会根据光线中不同的颜色波长凝结成不同的图像保存在胶片上。相机机身的作用是一个暗箱。

　　数码相机使用的是CCD或者CMOS等感光电子元件作为感光介质。使用它们可以使镜头聚焦的光线由光信号转变为电信号，再经过模拟数字转换器转换成数字信号，压缩和存储为特定图像格式保存在存储介质上(可以反复使用)。

　　对于数字相机，成像过程远远比胶片上复杂。但不管数字成像技术如何发展，成像原理和基本要素还是和胶片成像过程相类似的。数字相机也有镜头，但通过镜头的光线不再像胶片相机中那样投射到胶片上，而是直接射在感光器的光敏单元上，这些感光器由半导体元件构成，由数字相机的内置智能控制装置对入射光线进行分析处理，并自动调整合适的焦距、暴光时间、色度、白平衡等参数，然后将这些数据传送给模/数转换器ADC(Analog Digital Converter)，ADC最后把这些电子模拟信号转换成数字信号。

　　数字相机的内部还具有若干智能处理器，包括一些特定用途的集成电路(ASIC)和主CPU。按照这些内部处理器预设的运算法则和标准处理程序，所有数据经处理最终生成一个图像文件，然后存储在相机内部的电子存储器中。当这些过程结束后，图像文件就能够传输到计算机中，经由打印机输出或者显示在电视屏幕上。同时图像文件也能够在相机内部显示，通过自带的LCD显示屏进行预览，并利用相机LCD显示屏的操作菜单进行处理，对于不满意的图像可以删除后重新拍摄。

　　摄像者能够通过相机控制面板上的众多开关、按钮来进行参数预设，数字相机的智能控制设备则经过如上步骤繁琐的过程不断调整操作系统设置，从而精准记录图像。这一切繁杂的数据处理的全部过程就发生在你手掌中那个轻灵而精致的相机中。

　　以上仅仅是对数字相机成像技术的简要梗概。根据具体细微设计的不同，数字相机也分成了许多种类。
  数字相机成像的具体步骤

　　图像传感器

　　到目前为止，人们对数字相机性能的关注大部分集中在所摄图片的像素高低上。像素的高低直接取决于数字相机图像传感器的尺寸和密度。图像传感器是数字相机的核心结构，主要分为CCD (Charge-Coupled Device)光电荷耦合器件和CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 互补金属氧化物半导体集成电路两种。图像传感器由具有光传感单元和光敏二极管列阵硅芯片制成。这些光传感单元与像素高低直接相关，它们能够与撞击到上面的光脉冲相作用，并将其转换成电荷信号。

　　图像传感器上的光敏单元数目(像素)有两种表示方法。一是用X/Y轴方向(即传感器的宽度和高度方向)数目乘积表示，如640×480;另一种是用光敏单元总数来表示，如一百万像素。

　　制造商通常对于给定的图像传感器会给出两个像素数目指标。第一个数字是传感器上所有的像素数目，如三百三十四万像素或者写为3.34 Mega Pixels。第二个数字是传感器上真正用于捕捉图像的光敏单元(激活像素)数目。第二个数字一般比第一个小5%左右。

　　在超净环境中生产数字相机

　　造成这5%差别的原因有很多。在目前的传感器制作工艺中，生产一个100%完美毫无缺陷的产品几乎是不可能的，我们通常把图像传感器生产过程中出现的有缺陷光敏单元称为暗像素或者缺陷像素。还有部分像素被用于其它方面，例如用于从传感器读取数据时的校准过程，或者为了保证图像比例而故意不使用。很小的一部分处在传感器边缘区域的像素被人为遮蔽，避免接受外来光线，而是用于检测CCD背景所产生的噪声，以便在实际图像数据中将背景噪声加以扣除。

　　需要技术的像素数与CCD尺寸关系不是线性的，从三百万像素提高到四百万像素像素数增加了一百万，但CCD尺寸并不会增加25%，甚至有可能没什么变化。

　　目前大多数的数字相机都只使用一个单图像传感器(CCD或者CMOS)，只有少数专业级数字相机使用多个图像传感器——入射光被光学棱镜分成相等的部分后再被多个图像传感器接收。使用多个图像传感器可以减少不同颜色之间的干扰，并且消除图像边缘的偏色问题。这些多图像传感器的数字相机由于结构复杂，制作工艺要求高，所以体积比较大，而且价格昂贵。

　　有趣的是，多图像传感器的设备也无线性变化规律可循。在多数情况下，它们必须有三个独立的图像传感器(CCD或者CMOS)分别对应红、绿、蓝三种颜色的处理工作，每一个传感器承担每个像素1/3的信息处理量。在一个3百万像素的三传感器的摄像机中，每一个传感器都必需是三百万像素的，但是用于静态拍摄的多传感器数字相机中就不存在这个问题。它们内部多传感器对信息的处理方式随着制造商、相机类型的不同而迥异。

　　一些三传感器数字相机采用图像插值运算技术，它们的三个传感器就是各负担最终画面1/3的信息处理。其他的多传感器数字相机则先将每个传感器初始入射光信息混合后，再用复杂的算法程序进行处理合成。例如现在已经停止生产的Minolta RD-175 数字相机，它具有三个CCD传感器，其中两个对应于绿色的处理，第三个传感器则兼顾红蓝两色。(这种两个传感器对应于绿色的处理方式与单传感器中Bayer彩色滤色阵列的工作原理类似，下面将详述)。在RD-175中，每个传感器都不到五十万像素，但是它们通过算法程序处理后的画质相当于一百七十万像素左右。

　　在许多数字相机中，传感器的每个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线。因此，如何尽可能的使光线直接投射到像素感光区域就显得非常重要。为达到这一目的，许多商品化的数字相机图像传感器中，每个像素前都有一个“微透镜”用来保证光子直接入射到像素的感光区域。

　　因为图像传感器本身只能完成光电转换而无法分辨颜色，数字相机通常采用彩色滤镜阵列CFA(color filter array )来实现彩色输出。CFA的主要作用是让每个像素只感受单一颜色的光线，最终重新组合出彩色的图像。制造商根据不同的色彩需求来选择不同的CFA结构，不管何种CFA结构其目的都是使所需光线通过滤镜，使每个像素接受的光线具有单一波长。所有CFA的设计都尽量减少入射光线在相邻像素之间的干扰，努力使景物色彩准确显示。

　　CFA让每一个像素只感受一种颜色的光线

　　CFA结构中最流行的是被称为Bayer模式的彩色滤镜列阵。主要特征为在像素前面以间隔的方式放置红、绿、蓝色的滤镜，而且绿色滤镜的数量为红色(或蓝色)的两倍。这样做是因为人眼对绿色光波比红蓝两色要敏感的多，所以这样的数量分配就使得人眼所见的图像亮度适宜，更接近真实色彩。

　　究竟什么是真正的不失真的优质画色呢?由于从科学的角度上来定义并科学测定人眼对色彩的感知是一个极其复杂的课题，所以产生了许许多多的标准，莫衷一是。不同的制造商则选择采用不同的模式和运算程序来定义它们认为的数字相机的最佳色彩。

　　所有的数字相机在图像传感器上都装有一个电子快门(和传统胶片相机的机械快门不同)，电子快门的作用是精确调节入射光线投射到传感器的时间。电子快门的开关控制传感器是否接收外来光线。有些高级数字相机甚至还加入一个昂贵的机械快门，这并不是画蛇添足，在电子快门关闭完成后，它能够有效地防止可能产生的极少量光线入射在传感器上的现象。这就大大降低了合成图像上产生阴影、条纹和模糊的可能。

　　当你面对要拍摄的景物按下一半快门的时候，数字相机会锁定焦点和曝光值——这个步骤和传统胶片相机是一样的。但当你按下全部快门后，发生的事情就和胶片相机完全两样了。

　　1. 第一个步骤是机械快门关闭(如有机械快门的话)，同时传感器立即进行电荷清洗。这样做的原因是因为图像传感器一直充盈着电荷而保持于激活状态(在一些高级的数字相机中，图像传感器能够在捕捉图像前处于休眠状态，这样有助于散热和改善信噪比)。在没有接到指令前，图像传感器一直以大约1/60秒的速度为周期进行电荷更替，所以，在准备捕捉图像前的瞬间，所有的剩余电荷必须被清洗干净。

　　有趣的是，一些数字相机(例如Olympus Camedia E-100RS)能够将最近的清洗数据存入缓存，这样你就能拍下在真正按下快门前的景象了。众所周知，小孩和一些宠物在照相机前会不安分地动来动去，在这类拍摄情况下这样的功能是有意义的。

　　2. 当在摄影者选择将照相机拍摄前的电荷分布数据存入缓存或清除后，数字相机的所有程序处理器开始正式工作。其中一个处理器是将存入缓存的数据进行调整和设置，为拍摄做好准备。例如，控制白平衡的处理器开始设置在当前图像条件下具体那些像素为白色，并且会调整所有色相中不为白的像素。其他比如焦距、闪光和其他参数的预设过程也与此相近。这些参数也会被存入缓存，以备后用。如果在拍摄过程中LCD显示器也在工作的话，这些数据也将被显示出来。

　　3. 当以上两个步骤完成后，拍摄前的图像传感器设置就告结束，一切就绪后当你按动按钮时，相机的机械快门打开并同时激活电子快门，在预设的曝光时间内接受光线，曝光结束后，机械快门也自动同时关闭。

　　4. 在数据处理过程中电子快门会再次打开，直到摄像者按动按钮开始为下一张相片的拍摄进行数据清洗为止。当处理器(摄影者)启动电子闪光设置后，数字相机会自动照射所摄景物，一个单独的光线感应器会检测闪光强度，检测结果达到曝光要求后闪光灯就自动关闭。

　　由于图像传感器的电荷清洗过程和拍摄参数设置过程都需要一定的时间，在摄像者按下快门后到图像拍摄完毕之间就不可避免的产生了延时效应。在市面上的普通数字相机，其延时从60毫秒到1.5毫秒不等。

　　应用大容量的缓存设备和高速处理器能够缩短延时效应。这就是为什么能够进行高速拍摄的数字相机昂贵的原因。在这些价格不菲的专业数字相机中，Nikon DH1具有128MB缓存。其他一些相机，例如Kodak誷 DCS 520, 620, 和 Fuji S1具有64MB缓存。少数数字相机具有16MB或者32MB缓存。一些带有智能多功能芯片的图像传感器(多数为CMOS)的数字相机的数据传递速率通常比较高，这是因为和所有的数字处理系统相类似，处理器内部的带宽和处理能力决定了数据的处理速度。

　　图像传感器通过将入射的光子转换成电子形成模拟信号，下一个步骤就是未被光敏单元束缚的电荷开始定向移动，通过输出放大器形成电压信号，这些电压信号继续传递至模数转换器ADC。

　　CMOS和CCD图像传感器的主要区别就是CMOS本身就有ADC，而CCD只能使用外部的ADC。CMOS图像传感器的缺点是有噪声的影响，但是其最大的优势是集成有ADC。ADC能够直接将模拟的电压信号直接转换成二进制的数字信号。这些数字信号将被进一步处理后最终根据不同的色度要求形成红、绿、蓝三种色彩信道，通过相应的像素来显示出具体的颜色和深度。

　　ADC将数字信息流传递给数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)——处理器的构造每种数字相机各不相同。在DSP中，大量的数字信息经一系列预设的程序指令后整合成完整的图像。这些指令包括绘制图像传感器数据、分配每个像素的颜色和灰度。在单一传感器数字相机中，如果只有一个彩色滤镜阵列，算法程序将主要进行每个像素的颜色数据处理。算法程序通过分解临近的像素颜色来决定某一特定像素的具体色值。如果使用RGB颜色的话，那么组成最终图像的每个像素的颜色都可以看成是三原色的合成。通过如上步骤，最终的图稀奥厶逞辖?钊耍?胱⒁饽愕挠镅裕　蓖能够显示出自然的颜色。

　　大多数数字相机能够记录下图像传感器所传递的全部图像数据，在此基础上，DSP就成为图像分辨率的控制因素。例如，用一个3M像素数字相机以VGA模式进行拍摄，而不是仅仅限定为640×480分辨率，相机将得到全部的20486×1548色彩位度。接着，通过摄像者在拍摄前在LCD面板上进行的设置，DSP就会按照设定的分辨率生成图像。

　　每个厂商设计的处理程序各不相同，他们通过各不相同的色彩平衡与色饱和度设置来生成彩色图像。数字相机还运用一个或者多个DSP以及其他设备来共同处理所得数据，以期达到完美画质。并且充分考虑消费者对画质偏好的选择权利。如果想要摄下本不需要的噪声，或者通过电子快门来实现雾化效果，这些需求制造商都是通过对算法处理程序进行相应的修正来满足的。类似的程序修正还有很多，例如图像锐化的应用，白平衡的预设等等。所以我们可以得出如下的结论，各个制造商所产数字相机的最大不同就在于图像处理过程的种种差异。