数码相机成像原理.doc

电子知识 相机成像(1)数码相机(269) 　　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