數碼相機成像原理

? ? ? ? 傳統相機使用碘化銀感光材料(即膠片)作為保存影像的載體。人們通過鏡頭將影像的光線匯聚，再通過按動快門打開快門簾將匯聚的光線投射到膠片上，膠片中的碘化銀會根據光線中不同的顏色波長凝結成不同的圖像保存在膠片上。相機機身的作用是一個暗箱。

　　數碼相機使用的是CCD或者CMOS等感光電子元件作為感光介質。使用它們可以使鏡頭聚焦的光線由光信號轉變為電信號，再經過模擬數字轉換器轉換成數字信號，壓縮和存儲為特定圖像格式保存在存儲介質上(可以反復使用)。

　　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最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，所有數據經處理最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。
? 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。第一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。第二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。第二個數字一般比第一個小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%完美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最終畫面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，最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結構中最流行的是被稱為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優質畫色呢?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最佳色彩。

　　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)，電子快門的作用是精確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。有些高級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. 第一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(在一些高級的數字相機中，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)能夠將最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清除后，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，但是其最大的優勢是集成有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最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，那么組成最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，最終的圖稀奧厶逞轄?釗耍?胱⒁餑愕撓镅?！”湍軌蝻@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，而不是僅僅限定為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色圖像。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，以期達到完美畫質。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最大不同就在于圖像處理過程的種種差異。