照相机成像原理 数码相机的成像原理

照相机成像原理 数码相机的成像原理

1.1 数码相机的成像原理

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。

图1-1  成像原理示意图

（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。

1.2  数码相机的基本部件

无论是哪种款式的数码相机，大都包括图1-2、图1-3出示的基本组件。

图1-2  数码相机正面

图1-3  数码相机背面

1.2.1  镜头

镜头是一部相机的重要组件之一，可以说是相机的灵魂，数码相机采用什么镜头是一个非常重要的参数，也是区分不同档次相机的重要指标。

图1-4

虽然由于感光元件分辨率有限，对镜头的光学分辨率要求也比较低，但由于普通数码相机的影像传感器要比传统胶片的面积小得多，因此镜头的解析度需要很高，一般来说，数码相机采用的光学镜头的解析能力一定要优于感光元件的分辨率。例如，对于某一确定的被摄目标，水平方向需要100个像素才能完美再现其细节，如果成像宽度为10mm，则光学分辨率为10线/mm的镜头完全能够胜任；若成像宽度为1mm，则要求镜头的光学分辨率必须在100线/mm以上。

传统胶卷对紫外线比较敏感，进行外拍时经常需要加装UV镜，而CCD对红外线比较敏感，在镜头上增加特殊的镀层或外加滤镜会大大提高成像质量。另外，镜头的物理口径也是一个需要考虑的因素，无论镜头的相对口径如何，其物理口径越大，光通量就越大，成像质量也就越好。一个好的镜头可以使影像清晰细腻、色彩准确、减小变形，若要想得到较高品质的图像效果，可选择具备大口径、多片多组、包含非球面透镜和优质镀膜的高质量镜头，可加装滤镜的数码相机。镜头表面的标志如图1-5所示。

图1-5  镜头

1.2.2  闪光灯

闪光灯是增加曝光量的方式之一，尤其在光线较暗的场合，利用闪光灯可以使景物更加明亮。图1-6、图1-7示出了数码相机的内置闪光灯。数码相机内置的闪光灯一般有三种模式，即自动闪光、强制闪光和关闭闪光，有的相机还具有消除红眼、慢速同步闪光等功能，下面分别介绍一下这些闪光灯的不同模式。

1．自动闪光

一般情况下，普通数码相机在默认设置时，闪光灯模式都预置在“自动闪光”模式下。这时，相机会自动判断拍摄周围的光线是否充足，如果检测到光线不足，在拍摄时就会自动打开闪光灯进行闪光，以弥补光线不足。在该模式下可以完成大部分的拍摄任务。

2．强制闪光

它是指无论在强光或弱光环境中，都开启闪光灯进行闪光。该模式常用于对背对光源的人物进行拍摄。例如拍摄一个光线较暗房间内的人物，若人物背对着明亮的窗户，人物正面的光线不足，这样拍摄出来人物可能处于阴影中，图像不太清晰，遇到这种情况时，可以启动强制闪光模式，给主体正面补光，这样就可以得到受光均匀的照片。

图1-6

图1-7  内置闪光灯

3．关闭闪光

它是指无论周围拍摄环境的光线强度如何，都不启动闪光灯，该功能适用于一些禁止使用闪光的场合，如音乐会、博物馆等。如果需要拍摄一些特殊效果的相片，关闭闪光灯后在黄昏或光线微弱的环境中拍摄，可以得到氛围自然的画面。

4．消除红眼

所谓红眼，是指数码相机在闪光灯模式下拍摄人物特写时，在照片上人眼的瞳孔呈现红色斑点的现象。要避免红眼发生，可打开数码相机的“消除红眼”模式，先让闪光灯快速闪烁一次或数次，使人眼瞳孔缩小并适应之后，再进行正式的闪光与拍摄。

5．慢速同步闪光

慢速同步闪光是相机与闪光灯配合而实现的一种高级功能，当在光线较暗的环境下拍照时，如早晨、傍晚或者有一定灯光照明的晚上，如果使用闪光灯加较快的快门速度进行拍摄，可能会出现前景主体太亮，而背景灰暗，无法辨认更多细节的现象，而启用慢速同步闪光功能则会降低相机的快门释放速度，以闪光灯照明前景，配合慢速快门为弱光背景曝光，这样，可以保证主体曝光正常的同时使背景适当曝光，以拍摄出前后景都和谐曝光的照片。

慢同步具有前同步和后同步两种模式，前同步是指在快门完全开启后立即闪光，它便于捕捉拍摄时机，适合于一般情况下使用，如拍摄人物的神态等；后同步是指在快门将要关闭的时候闪光，它可以拉出动态物体的运动轨迹，形成强烈的动感效果，所以适合于拍摄动态的对象。

数码相机内置的闪光灯覆盖范围有限，只能满足普通的拍摄需要，若用户需要获得更宽广的闪光灯覆盖范围，并且相机上又有闪光灯热靴接口的话，可以考虑购买大指数的外接闪光灯。

1.2.3  取景器

数码相机上使用的取景器有多种类型，包括LCD取景器、单反式取景器、旁轴式取景器等，下面分别进行介绍。

1．LCD取景器

LCD（Liquid Crystal Display），即液晶显示屏。数码相机上的LCD屏幕可以显示所选定光圈、快门等各种拍摄参数，以及相机目前的状态及模式，如电池的电量、闪光灯的模式等。

图1-8

LCD屏幕有黑色和白色两种类型，彩色又分为伪彩和真彩两种，其中伪彩价格便宜，但显示效果差；数码相机中用于取景和回放的LCD都是质量较高的TFT真彩。在TFT LCD中又包括反射和透射两种，反射式反射正面的环境光工作，从不同角度观察差别较大，显示较暗，但具有省电、造价低等优点；透射式依靠背后的灯光进行工作，角度变化小，显示较亮，但耗电量较大。

作为大多数数码相机必备的取景方式，利用LCD取景可以改正传统相机取景的缺点，它可以回放照片，随时显示相机存储器中记录的全部照片影像，对于不满意的作品可以删除后重新拍摄，这样可最大限度地节省存储空间，并且可以及时地发现诸如构图取景、用光等方面较明显的问题。有的数码相机还设计了可以旋转的LCD屏幕，这样使原来很困难的取景工作变得十分轻松，例如要拍摄靠近地面的植物的特写镜头时，不用像使用传统相机一样趴在地上，只需将相机放低，然后将LCD屏幕翻过来即可。而一个人独立外出旅行时，可以将镜头对准自己，将LCD屏幕转过来，自己给自己来个特写。

但使用LCD取景也是有缺点的，首先是它耗电量非常大，几乎要占据整部相机的1/3以上的电量，长时间开启的话，会使电池工作时间大大缩短；其次是某些数码相机LCD显示屏的亮度和色彩还原有些误差，在LCD屏幕上显示的效果与最终在计算机显示器上的实际影像差异较大，即使是百万像素的LCD看上去画面依然很粗糙，无法查看拍摄主体的一些细节。另外，LCD取景器在取景时总会有一定的延迟现象，而且在强光下无法使用，色彩和亮度偏差也较大。不过现在数码相机几乎同时配备有普通光学取景和LCD取景，用户可根据具体的情况进行选择。

2．单反式取景器

单镜头反光式（SLR）取景器，其光学结构比较复杂，制作成本较高，一般用于专业数码单反相机上，是一种没有误差的光学取景方式，如图1-9所示。在这种系统中，反光镜和棱镜采用非常独特的设计，使操作者可以从取景器中直接观察到通过镜头选取的影像，取景器的取景范围可达到实拍画面的95%，但如果镜头的最小相对孔径较小的话，取景器就会很暗，影响手动对焦，而相机上提供的自动对焦功能可以有效弥补这一不足。使用TTL单反取景器为了不至于过暗，厂家往往会使用大口径的高级镜头，所以一般用于一些专业或半专业相机上，如奥林巴斯品牌的一些高端民用数码相机上常用这种取景器。

3．旁轴式取景器

普通数码相机多采用旁轴式光学平视取景器，这种取景方式结构简单、视野明亮、不影响拍摄过程，其生产成本较低、使用历史悠久。如图1-10所示，当使用此类取景器拍摄时，被拍摄景物的光线直接从相机正面的取景窗口射入，然后从相机背面的取景器进入被观察者的眼睛，相当于在机体上开个小孔，再装上透镜使眼睛能够透过相机机体观察前方的景物，其路线相当简单明了。

图1-9  单反式取景器

图1-10  旁轴式取景器

由于该类型取景器的取景窗口与镜头的位置是分开的，所以从取景器中看到的图像和实际拍摄的图像存在一定的误差，这种大小和位置上的差异在摄影中称为视差，在进行远距离拍摄时视差较小，而近距离拍摄时视差就很明显。

4．EVF电子取景器

它是将一块微型LCD放置到取景器内部，在取景时，相机机身、眼罩以及摄影师的头部都会遮挡光线，所以外界光线对其影响不是太大，取景器还设置了一组取景目镜，将微型LCD的显示内容放大到一定的倍数，以适应人的眼睛。如图1-11所示，将这块LCD的面积尽可能地缩小，可以降低耗电量和生产成本，虽然取景器中的画面视角和色彩效果与最终效果存在一定的误差，但在使用一段时间后还是能够适应的。

图1-11  EVF电子取景器

1.2.4  影像传感器

目前数码相机所使用的影像传感器有CCD和CMOS两种类型，前者技术已经很成熟，后者是新兴的技术，代表未来的发展方向。

CCD（Chagre Couled Device），即电荷耦合器，如图1-12所示。目前被广泛应用于大部分数码相机上，这是一种特殊的半导体材料，它由大量独立的光敏元件组成，这些光敏元件通常按矩阵排列。光线透过镜头照射到CCD上，并转换成电荷，每个元件上的电荷量取决于其受到的光照强度。当摄影者按动快门时，CCD可将各个元件的信息传送到模/数转换器上，然后将模拟电信号转变为数字信号，数字信号再以一定的格式压缩后存入缓存内，这样就完成了数码相片的整个拍摄。

CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor），即互补金属氧化物半导体，它在微处理器和闪存等半导体技术上占有重要的地位，也是一种可用来感受光线变化的半导体，其组成元素主要是硅和锗，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本功能。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。由于CMOS结构相对简单，与现有的大规模集成电路生产工艺相同，从而生产成本可以降低，理论上讲，CMOS的信号是以点为单位的电荷信号，CCD是以行为单位的电流信号，相比较而言，前者更为敏感、速度更快、更为省电。

图1-12  CCD感光元件

目前CMOS技术发展还不成熟，这种高质量的CMOS还只应用于一些专业的数码相机上，而在一些低档数码相机上常使用廉价低档的CMOS，成像质量一般比较差。所以目前要购买消费级数码相机的话，建议用户最好选择以CCD为影像传感器的产品。

1.2.5  按键

在进行拍摄工作时，传统相机大都通过按键或者转动转盘来实现，而数码相机是通过菜单来选择功能的，某些专业数码单反相机为了适应传统相机用户的使用习惯，将一些常用功能设计成与传统相机大体一致的方式。若在进行抓拍时，直接按按键比使用菜单进行设置更加快捷，如图1-13所示。

图1-13  数码相机操作按钮分布合理