• • • • • • • • • • • •
数码相机的原理
3)数据压缩 • 由于数字照片的文件都很大，目前数码相机的存储卡 一般都在100兆以下，为了尽可能地使存储卡保存更多的图 片，绝大多数相机存储的都不是原始数据，而是使用压缩 芯片将原始数据压缩成为文件的格式，从而大大节省存储 的空间。由于JPEG压缩拥有很好的效果，因而被广泛地使 用。 • 4)矩阵校正 • 由于Si对单色光的响应的差异，如图2-8所示。对蓝光的 响应范围较短，而在红外波段的响应较好，这样通过彩色 掩膜以后传感器对R, G, B的响应图2-8(a)所示。为了消除 红外光的影响，一般的传感器的芯片上都采用红外滤波器 (IR-Cut)来调整传感器对光源的响应，为此在图像的还原过 程中必须对数据进行校正。图2-8(b)给出了矩阵校正的示 意图。
数码相机概述
数码相机发展史
数码相机，是二十世纪七十年代开始构想，八十年 代进行研制，并开始用于军事，后来逐步向民用领域扩展， 到九十年代初，即己投入市场，九十年代中己被广泛使用， 目前已相当普及。预计二十一世纪初，数码相机将在摄影 中占主导地位和绝对优势。 数码影像技术，最初是由美国柯达公司、日本富士公 司、尼康公司、佳能公司、索尼公司和荷兰的飞利浦公司 六家在感光材料领域、照相机领域和家用电器领域里卓有
了各个公司在技术上的绝对优势，所以照相机的各项先进功能都得到 了毫无限制的发挥。例如尼康相机1/8000秒的快门，佳能相机的眼控
对焦和两种相机都有的连续拍照、自动对焦、先进的各种模式的测光 功能和与闪光灯配合的各种自动功能，都可以在数码相机上得到充分 的应用。
数码相机发展史
• 近年来，世界各国都纷纷加入了数码相机研发的行列。 • 德国的禄莱公司、徕卡公司、爱克发公司、 • 日本的奥林巴斯公司、爱普生公司、美能达公司、卡西欧
•
数码相机新技术
• 光学技术——缩小相机的体积 • 超小型光学镜头 • 将高画面质量的拍摄性能和其他多种功能整合在紧凑的相机机身中，并 •
• • •
可放入口袋内便于携带的袖珍型数码相机日趋受到人们的欢迎。当然，要在 如此小体积的装置内配置如此强大的功能，超小型光学镜头是必不可少的。 在佳能推出的PowerShot S230 DIGITAL ELPH(DIGITAL IXUS 330)数码 相机应用了1/2.7英寸型211万像素的CCD和3倍光学变焦镜头组。这个镜头组 是由5组一共7个镜头组件构成的。这个镜头组不仅具有分辨率高和图像失真 低的特性，而且在相机机身中所占据的物理空间的长度只有23mm，。 图为佳能PowerShot S230 DIGITAL ELPH的镜头光学结构。 在这个由5组镜头组件组成的3倍光学变焦镜头组中，第一个镜头组通过 使用具有高折射率的玻璃镜头来有效地修正了各类像差。在第一个镜头组， 既有凸镜又有凹镜，这就大大减小了镜头前端和镜头组的总长度。 另外还有许多小型变焦镜头组应用的是3组的镜头架构，在这样的镜头架 构中，第2组镜头主要用于负责变焦数的调变。变焦会造成颜色失真，为了减 少这种颜色失真，必须通过使用更多的镜片来进行补偿，但这就对小型紧凑 型相机设计和制造产生了挑战。佳能采用了将两片具有不同光学属性的镜片 巧妙地放置和融合在一起的技术解决了上述问题。
数码相机发展史
一般只有1/3英寸至2/3英寸大小，不及135胶片面积的十 分之一。所以就同一视角而言，CCD的52mm镜头相当于 35。的胶片的50mm镜头。之所以各大厂家都没有采用大 面积的CCD，是由于CCD面积增大一倍，则成品率下降十 倍，生产成本升高，所以厂家大多不愿采用大面积的感光 元件，而把注意力放在一些外在功能实现上，这样导致了 数码相机成像质量的瓶颈现象:即像素在不断提高，而成 像质量和使用的随意性并无多大改观。
•
数码相机的原理
• 一、数字信号的获取
•
数字图像的获取主要经过下面几个过程。 1)光探测器和光点转换 在传感器阵列中，每一个光传感器是一个光探测 器，通过光电效应，它把撞击到表面上的光子转 换为电荷，通过一个足够长的时间(这一时间必须 短于存储装置的饱和时间)，积累的电荷达到可探 测的数量。由于一般情况下光电探测器比传统的 胶片更敏感，所以数码相机可以有较短的曝光时 间，范围从1/50s- 1/10,000S.
•
1)彩色分离
由于集成度的原因，如第一节所讲，目前绝大多数影像传感器在一个像素上 都只有一个传感器，这样的探测器是单色的，因而在这个阶段，得到数字图 像是只有灰度的单色图像。为了得到彩色图像，必需将原始数据中的颜色信 息通过一定的算法生成彩色图像，最终构造出图像中每一个像素的RGB色彩 来。这部分内容将在第二章详细讲解。
公司、理光公司、东芝公司、日立公司、松下公司、夏普 公司、适马公司 • 美国的惠普公司、IBM公司、威达公司、宝丽来公司也都 相继投入了数码相机的开发研制，并不断有民用或准专业 的机型出现。 • 柯达公司和富士公司也开始了与瑞典的哈色勃莱德公司、 瑞士的仙娜公司、日本的玛米亚公司的合作，为其Biblioteka 产的 120单反相机和4*5英寸相机
数码相机发展史
•
在技术上，目前数码相机越来越向傻瓜机方向发展， 在国外主要作为家庭娱乐用。厂家并没有将注意力投 入在数码相机的成像质量上，而多放在功能的实现上， 如自动对焦、自动调光圈、自动曝光、自动白平衡等， 但是却忽略了摄影界的真正需要，即宽厂‘的色彩表 现范围，可以与传统银盐技术相媲美的成像精度，光 圈、快门都可依自己的创作构思而调整。而24位彩色 所能表达的密度范围和色彩还原并不能满足专业人士 的需要。就传感器而言，数码相机的感光芯片
数码相机的原理
• 在数码相机中，光传感器是数码相机的核心部件，数码相
机的优点正是通过它来体现，如前所述，常用的光传感器 有CCD和CMOS传感器。CCD成像质量较高，但价格贵， 主要用在高档相机上，CMOS目前的成像质量还不能与 CCD相比，但由于其价格低，现在广泛地用在消费级数码 相机上。 数码相机的工作过程主要包括两大过程，首先是将光 信号转化为模拟信号，并将其量化为数字信号，然后是对 得到的数字信号进行处理，重建出所拍摄的景物，为了得 到较好的效果，这一过程还包括一些必要的处理。
数码相机的原理
• 2)信号放大和滤波
在电荷被收集以后，它被转换出阵列，其电荷量的多少 正比于电压的高低。因为模拟信号只能有条件地对信号进 行放大和滤波。如果原始信号很微弱，如在弱光条件下只 有几毫伏，这样的信号会有噪声伴随，在最终生成的图像 中会生成杂点。所以信噪比(SNR)对于最终取得高品质的 图像非常重要。要达到象家用录像系统(VHS)质量的静态 图像，信噪比应在42dB以下，数码相机所用的标准CCD传 感器，其信噪比可达到60dBo
数码相机的原理
•
对于大多数数码相机而言，其工作原理是通过光传感器进 行图像感光，将光信号记录下来，再借助计算机对图像资 料进行修改、筛选等处理，最后达到对图像制作的需要。 不同的数码相机其结构各不相同，但都拥有最基本的组成 部分，即镜头、传感器、A/D转换电路及存储卡等部件， 其工作原理图如下图所示。
数码相机发展史
•
• • • • • • • • •
在应用领域方面，数码摄影己在航空、肮天、天文、显 微、红外、公安、医疗各个领域都有着越来越广泛的应 用。现代生活中，数码摄影在新闻通讯、商业广告、婚妙 人像、工业生产、法律执行、物业管理、医疗诊断、车 证管理中都有着十分重要的应用;在家庭生活中，数码摄 也开始引起计算机爱好者的兴趣;制作家庭影集，进行创 作设计，结合多媒体技术创作趣味影像，利用电子信箱发 送图像传真，向互联网络上发送图像和从中获取图像， 己被很多爱好者采用:在军事领域中数码影像的作用更是 不言而喻的了。
数码相机的原理
• 3)数模转换
对信号进行条件放大以后，模拟信号通.过 模数转换器(ADC)转换为数字信号，其大小 正比于撞击在传感器的光的强度.ADC通常 有8位、10位或12位，可以覆盖整个信号的 动态范围，后续的处理都是在数字化的基 础上进行。
数码相机的原理
•
二、图像的重建及增强
图像重建的目的是将数码相机得到的数据还原为照片，由于传感器结构及 人眼感光与传感器的差异，在处理的过程中必须进行一些特定的处理，这些 处理包括、白平衡、矩阵校正、伽玛校正(使传感器的线性相应特征能匹配人 眼的对数响应特征)以及曝光调整等，为了使存储卡能存储更多的照片，对数 据的压缩也是多数相机必不可少的一个处理。下面简要介绍其中一些处理过 程中用到的概念。
数码相机发展史
1991年美国航空航天总署开发了首台单镜头反光数码相机。接着 柯达公司和富士公司就相继开发了:柯达DCS420, DCS460、富士DS505, DS--515专业单反数码相机。而这几款相机的机身都是佳能相机 和尼康相机。而且用的都是两种相机中相当优秀的单镜头反光相机机 身。如佳能EOSIN和尼康F90等。目前柯达公司最新推出的四款数码 相机DCS520/DCS560和DCS620/DCS660，两者使用的是佳能EOS-1N 机身而后两者则使用的是尼康F5机身。而数码相机机身上醒目地标着 两个公司的牌号，如“柯达一佳能”和“柯达一尼康”等。由于保留
数码相机的原理
•
•
2)白平衡
由于人眼和传感器的感光原理不太一样，数码相机拍出来的照片如 果没有经过白平衡处理，那么在不同的环境下拍出来的照片会偏离原 来的实际颜色，例如荧光灯的光人眼看起来是白色的，但用数码相机 拍摄出来的照片却偏绿。同样，如果是在白炽灯下，拍出图像的色彩 就会明显偏红。人之所以把它们都看成白色的，是因为人眼进行了修 正。但是，由于传感器本身没有这种功能，因此就有必要对它输出的 信号进行一定的修正，这种修正就叫做白平衡。所以白平衡控制就是 通过图像调整，使在各种光线条件下拍摄出的照片色彩和人眼所看到 的景物色彩完全相同。也就是说，白平衡就是无论环境光线如何，仍 然把”白”定义为”白”的一种功能。因为颜色实质上就是对光线的 解释， 在正常光线下看起来是白颜色的东西在较暗的光线下看起来可能就不 是白色，还有荧光灯下的”白”也是”非白”。对于这一切如果能调 整，则 在所得到的照片中就能正确地以”白”为基色来还原其他颜色。现在