数码相机的基础知识-第一部分(上).ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一部分 数码相机的基础知识,（上）,2005-04-11,内容提要（上）,数码相机的功能特点；,数码相机的分类；,数码相机的结构；,数码相机的成像原理与成像器件；,1.1,数码相机的功能特点,数码相机和传统相机在外观上，除了有屏幕预览窗口,(LCD),和更多的按钮之外，没有大的区别。,作为一个全数字化的产品，只要按动快门，即通过图像传感器，将所拍摄景物的光图像转为电信号，经过处理，输出存储器上，生成计算机能够识别的数字影像。不要胶卷，无需冲印。,数码相机的功能特点,在拍摄同时，通过,LCD,可以预览当前的图像，是否满意，不满意可以立即删除，十分方便。,数码相机与传统相机的最大区别，在于影像的存储上。由于放弃使用胶卷，而以数字存储器取而代之，可以反复使用，经济、环保又快捷。保存的影像不会变质、褪色，通过网络可以迅速传播。,因此，数码相机的出现很大程度上改变了人们的生活和工作。,1.2,数码相机的分类,数码相机的分类方法有许多种，比如按功能、价格、以及按数码相机自身的成像元件等。,我们这里按照数码相机的功能和使用者，将数码相机分为三个类别，这种分类并不精确，界限也并非非常清晰。,入门级和商业级的数码相机,家用入门级数码相机：,该类数码相机功能简洁、操作方便、易于使用、按钮较少；体积不大，携带方便、价钱适当（一般在,4000,元以下）；成像像素在,500,或以下。有些也有手动功能、,10,倍左右的长焦镜头或广角镜头。,商业级高档数码相机：,又称为消费级的数码相机，功能强大，技术先进；采用名厂镜头，一般具有高倍变焦镜头或广角镜头；成像像素在,600,800,万；体积较大大，手动功能丰富；使用最新的成像技术，拍摄效果极佳。价格在,5000,元以上。适合有一定基础的摄影爱好者。,专业级数码相机,专业级数码相机：,包括数码机背、专业单反数码相机等，主要用于新闻、图片等专业用途，以及军事、航天等特殊领域。,我们最常见的就是专业单反数码相机。所谓单反：就是单镜头、反光式。它们具备了对焦迅捷、成像优异、使用便捷、性能优越等特点。机身使用坚固的合金，在防尘、防潮、防震甚至放水方面都表现极佳，数据处理和存储速度更高。,适合专业摄影师和资深摄影爱好者使用。价钱在,8000,元到数万元不等。生产厂家如：尼康（,Nikon,）、佳能（,Canon,）等。,1.3,数码相机的结构,数码相机是一个相当复杂的光、机、电结合体，以下以佳能（,Canon,）,EOS 350D,专业单反数码相机；索尼,F-828,商业级数码相机；卡西欧（,Casio,）,EX-Z57,超薄时尚数码相机为例，简要介绍一下数码相机的内部和外部构造。,佳能,EOS300D,的内部构造图,数码单反,CANONEOS350D,正面图,CANONEOS350D,背面图,CANONEOS350D,俯视图,商业级,Sony F-828,构造图,Sony F-828,正面、背面图,Sony F-828,侧面、俯视图,Sony F-828,镜头、闪光灯,Sony F-828,机身可旋转、底部,Sony F-828,电池存储卡仓,Sony F-828,其他部件,入门级：,CASIO EX-Z57,正面图,CASIO EX-Z57,背面带底座图,CASIO EX-Z57,侧面图,1.4,数码相机的成像原理与成像器件,虽然数码相机的流行还是这几年的事情，但数字影像的历史可以追溯到,19,世纪。,1873,年，科学家,Joseph May,等发现化学元素硒（,Selenium,）的结晶体感光后可以产生电流，由此拉开了数字影像的序幕。此后的一百多年间，数字影像技术得到了迅猛的发展，其中的关键是电子影像感应器（,EIS,，,Electronic Image Sensor,）。,1.4.1,电子影像感应器（,EIS,）,EIS,可以接收光线信号，并根据光线的强弱产生相应的电流，因此,EIS,也被称为光电感应器，然后通过系统处理，再将电信号转化为图像数据。这样光学图像就变成了数字图像。,EIS,广泛应用于各种摄影摄像设备、天文望远镜、扫描仪、传真机和医用内窥镜等。,常见的电子影像感应器（一）,PMT,（,PhotoMultiplierTube,）光学倍增管：体积较大，价格高昂，主要用于印刷、出版和工程分析的滚筒扫描仪，是成像效果最好的电子影像感应器。,CCD,（,Charge Coupled Device,），即电荷耦合器。,1969,年由贝尔实验室发明，体积小巧，可用于数码相机、数码摄像机和扫描仪等。感光能力与质量稍低于,PMT,。,常见的电子影像感应器（二）,CMOS,（,Complementary Metal-Oxide Semiconductor,），即互补性金属氧化物半导体。原来用于传感器领域，从,98,年开始用于数字影像，结构较,CCD,简单，成本低，但成像质量也低于,CCD,。,用于数码相机的电子影像传感器主要是,CCD,和,CMOS,。,1.4.2,数字影像工作原理,下面我们以,CCD,为例简单介绍一下，数码相机是如何形成一幅数码照片的。,数码相机成像所需的重要部件分别为：,CCD,、放大器、,ADC,（,Analog/Digital Converter,、模拟,/,数字信号转换器）、,DSP,（数字信号处理器）、存储器等。,成像原理,光图像,R/G/B,CCD,DSP,存储器,LCD,镜头组,数字或视频接口,CCD,上覆盖一层彩色滤镜；,CCD,部分包括放大器和,ADC,数字图像经过彩色修正、白平衡处理、编码为相应图像格式和分辨率,1.4.3,成像器件,CCD,影像感应器目前已大部份被使用在数码相机上，而近年来,CMOS,感应器也逐渐开始出现在数码相机的市场当中。,CMOS,具备了许多,CCD,所没有一些优势，例如：省电、高集成度、成本更低等等。,因此就未来影像感应技术的发展来看，数码相机的影像感应器市场将会是,CCD,与,CMOS,的兵家必争之地。,像素的定义和原理,每一个,CCD,都是由很多感光元件组成的，这些感光元件呈矩阵排列。一个感光元件对应一个像素，数码相机所标注的,CCD,分辨率（像素值）也就是,CCD,上感光元件的数量。比如一款标称,210,万像素的数码相机，即表示它的,CCD,上有,210,万个感光元件。感光元件越多，,CCD,分辨率越高，成像尺寸越大。,补充：像素的原理,像素是组成图像的基本单位。像素是一个小的方形的颜色块，每个像素都被分配了一个特定的位置和颜色值。,一个图像通常由许多像素组成，这些像素被排成横行或纵列。当使用缩放工具将图像放大到足够大时，就可以看到类似马赛克的效果，其中的每个小方块就是一个像素。,单位面积内的像素越多，图像的分辨率（,ppi,）,就越高，图像效果就越好。,像素的示例,放大,4,倍,放大,8,倍,CCD,的外观图,显微镜下的,CCD,表面,CCD,的结构图,成像区域,放大器,每块,CCD,正面结构图,感光元件,电荷缓存器,CCD,表面的滤镜,关于,CCD,的成像质量,除了,CCD,的像素值外，,CCD,的尺寸也是成像的关键。我们常见的,CCD,尺寸有,1/2,英寸，,2/3,英寸，,1/2.7,英寸。它表示,CCD,对角线的长度。相同像素的,CCD,，尺寸越大，感光元件的动态范围等指标就越好，性能也就越好。,要想进一步提升,CCD,像素值，有两个办法，其一保持现有,CCD,尺寸，提高工艺缩小感光元件的单位面积，这也是现在常用的方法；,另一种是，加大,CCD,的面积，但这么作成本较高，厂商一般不愿意。,关于滤镜,CCD,原本是一种只能感受黑白颜色的传感器，为了能够增加颜色信息，所以在,CCD,的各个像素前面添加了色彩滤镜，只让特定颜色的光线通过，从而获得了颜色信息。,以原色滤镜为例，每一种滤镜都是,4,个一组，覆盖在每一个像素上（每一个感光元件上）。每一组原色系的滤镜包括,1,个红（,R,）、,2,个绿（,G,）和,1,个蓝（,B,），以,G-R-G-B,的方式排列。,光线中的色彩,可见光是电磁光谱中非常小的一部分,红色光线有最长的波长，而紫色光线的波长最短。,三原色,自然界中的三原色通常是指：,红（,Red,）,绿（,Green,）,蓝（,Blue,）,自然界中的白光（如阳光）是由这三种原色叠加而成的。,原色，意味着由它们可以生成其它的所有颜色。,白色的光线是由三原色相互混合而成的。由于这三色光混合产生的颜色比原来的颜色亮度值高，所以这三原色称为加色三原色：,红色,绿色,蓝色,加色过程,加色三元色的应用与,RGB,模式,计算机显示器与电视机屏幕原理相同。,都是在屏幕上分别由能打出,R,（红色）、,G,（绿色）、,B,（蓝色）三色荧光的电子枪扫描合成各种颜色的。,RGB,颜色模式。,原色滤镜,颜色的还原,当光线经过滤镜透射到感光元件上，生成电信号后，经放大转换，最后输入到,DSP,（数字信号处理器）中，,DSP,会根据信号的强弱运算出每一个像素的,RGB,值。,这种方法简单、成本低，但是成像的颜色不够锐利。,Super CCD,SUPER CCD,由富士公司独家研制，它并没有采用常规正方形二极管，而是使用了一种八边形的二极管，像素是以蜂窝状形式排列，并且单位像素的面积要比传统的,CCD,大。将像素旋转,45,度排列的结果是可以缩小对图像拍摄无用的多余空间，光线集中的效率比较高，效率增加之后使感光性、信噪比和动态范围都有所提高。,富士公司宣称，,SUPER CCD,可以实现较高的感光度，颜色的再现也大幅改善，电量消耗减少了许多。富士公司宣称,SUPER CCD,可与多,40%,像素的传统,CCD,的分辨率相媲美，因此，富士公司和他们的,SUPER CCD,一推出即在业界引起了广泛的关注。,Super CCD,传统,CCD,与,Super CCD,Super CCD,SUPER CCD,采用蜂窝状的八边二极管，感光二极管就有更多的空间；在排列结构上比普通,CCD,要紧密，此外像素的利用率较高，也就是说在同一尺寸下，,SUPER CCD,的感光二极管对光线的吸收程度也比较高，使感光度、信噪比和动态范围都有所提高。,Super CCD,有效像素的提高,我们知道,CCD,对绿色不很敏感，因此是以,G,B,R,G,来合成。各个合成的像素点实际上有一部分真实像素点是共用，因此图象质量与理想状态有一定差距。,而,SUPER CCD,通过改变像素之间的排列关系，做到了,R,、,G,、,B,像素相当，在合成像素时也是以三个为一组。因此传统,CCD,是四个合成一个像素点，而,SUPER CCD,只用三个就能合成一个像素点。因此,SUPER CCD,像素的利用率较传统,CCD,高，生成的像素就多了。,SONY,的四色,CCD,技术,最早在,800,万像素的,DC,：,SONY-F828,上使用。即,RGBE,四色,CCD,技术。,所谓四色,CCD,技术，就是在传统,CCD,的,R/G/B,三原色滤光镜的基础上，增减,E,（祖母绿）滤光镜，使得新的,CCD,能更真实地还原色彩，它所记录的颜色也更接近肉眼所看到的颜色。,此外，四色,CCD,技术还能弥补三色,CCD,技术在个别色彩上的不足。,3CCD,技术（高级摄像机使用）,一部摄像机使用,3,片,CCD,，光线通过特殊的光学棱镜，被分为,R,红、,G,绿、,B,蓝三种颜色。分别用一片,CCD,接受每一种颜色并转换为电信号，然后经过电路处理后产生图像信号，这样，就构成一个,3CCD,系统。,和单,CCD,系统相比，由于,3CCD,分别用三个,CCD,转换红、绿、篮三色信号，拍摄出来的图像从彩色还原上比单,CCD,更准确和自然，清晰度也更高。,3CCD,系统在数码相机中很少使用。,CMOS,CMOS,即互补性金属氧化物半导体，,CMOS,和,CCD,一样都可用来感受光线变化的半导体。,CMOS,主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，而,CCD,使用二极管做为半导体。,CMOS,CMOS,针对,CCD,最主要的优势就是非常省电。这就使得,CMOS,的耗电量只有普通,CCD,的,1/3,左右，这有助于改善人们心目中数码相机是,“,电老虎,”,的不良印象。,佳能在这方面有雄厚的技术力量和丰富的经验。发展到今日已经比较容易地以较低的成本制造较大大尺寸的,CMOS,感光芯片。,CMOS,主要问题是在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而过热。暗电流如果抑制得不好就十分容易出现杂点。,CMOS,CMOS,与,CCD,的图像数据扫描方法有很大差别。如果分辨率为,300,万像素，那么,CCD,传感器可连续扫描,300,万个电荷，扫描的方法非常简单，就好像把水桶从一个人传给另一个人，并且只有在最后一个数据扫描完成之后才能将信号放大。,CMOS,传感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器。因此，,CMOS,传感器可以在每个像素基础上进行信号放大，采用这种方法可节省任何无效的传输操作，所以只需少量能量消耗就可以进行快速数据扫描。,如今,CMOS,的成像效果一点也不比传统,CCD,差。这种能耗低、制造相对容易的感光芯片如果能在影像的锐利度、动态范围等方面再做进一步的努力，相信,CMOS,是未来数码相机的发展方向。,