數(shù)碼相機(jī)成像原理

? ? ? ? 傳統(tǒng)相機(jī)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(guò)鏡頭將影像的光線匯聚，再通過(guò)按動(dòng)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(huì)根據(jù)光線中不同的顏色波長(zhǎng)凝結(jié)成不同的圖像保存在膠片上。相機(jī)機(jī)身的作用是一個(gè)暗箱。

　　數(shù)碼相機(jī)使用的是CCD或者CMOS等感光電子元件作為感光介質(zhì)。使用它們可以使鏡頭聚焦的光線由光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，壓縮和存儲(chǔ)為特定圖像格式保存在存儲(chǔ)介質(zhì)上(可以反復(fù)使用)。

　　對(duì)于數(shù)字相機(jī)，成像過(guò)程遠(yuǎn)遠(yuǎn)比膠片上復(fù)雜。但不管數(shù)字成像技術(shù)如何發(fā)展，成像原理和基本要素還是和膠片成像過(guò)程相類似的。數(shù)字相機(jī)也有鏡頭，但通過(guò)鏡頭的光線不再像膠片相機(jī)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(dǎo)體元件構(gòu)成，由數(shù)字相機(jī)的內(nèi)置智能控制裝置對(duì)入射光線進(jìn)行分析處理，并自動(dòng)調(diào)整合適的焦距、暴光時(shí)間、色度、白平衡等參數(shù)，然后將這些數(shù)據(jù)傳送給模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC(Analog Digital Converter)，ADC最后把這些電子模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

　　數(shù)字相機(jī)的內(nèi)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(nèi)部處理器預(yù)設(shè)的運(yùn)算法則和標(biāo)準(zhǔn)處理程序，所有數(shù)據(jù)經(jīng)處理最終生成一個(gè)圖像文件，然后存儲(chǔ)在相機(jī)內(nèi)部的電子存儲(chǔ)器中。當(dāng)這些過(guò)程結(jié)束后，圖像文件就能夠傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，經(jīng)由打印機(jī)輸出或者顯示在電視屏幕上。同時(shí)圖像文件也能夠在相機(jī)內(nèi)部顯示，通過(guò)自帶的LCD顯示屏進(jìn)行預(yù)覽，并利用相機(jī)LCD顯示屏的操作菜單進(jìn)行處理，對(duì)于不滿意的圖像可以刪除后重新拍攝。

　　攝像者能夠通過(guò)相機(jī)控制面板上的眾多開關(guān)、按鈕來(lái)進(jìn)行參數(shù)預(yù)設(shè)，數(shù)字相機(jī)的智能控制設(shè)備則經(jīng)過(guò)如上步驟繁瑣的過(guò)程不斷調(diào)整操作系統(tǒng)設(shè)置，從而精準(zhǔn)記錄圖像。這一切繁雜的數(shù)據(jù)處理的全部過(guò)程就發(fā)生在你手掌中那個(gè)輕靈而精致的相機(jī)中。

　　以上僅僅是對(duì)數(shù)字相機(jī)成像技術(shù)的簡(jiǎn)要梗概。根據(jù)具體細(xì)微設(shè)計(jì)的不同，數(shù)字相機(jī)也分成了許多種類。
? 數(shù)字相機(jī)成像的具體步驟

　　圖像傳感器

　　到目前為止，人們對(duì)數(shù)字相機(jī)性能的關(guān)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(shù)字相機(jī)圖像傳感器的尺寸和密度。圖像傳感器是數(shù)字相機(jī)的核心結(jié)構(gòu)，主要分為CCD (Charge-Coupled Device)光電荷耦合器件和CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)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(guān)，它們能夠與撞擊到上面的光脈沖相作用，并將其轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)。

　　圖像傳感器上的光敏單元數(shù)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(shù)目乘積表示，如640×480;另一種是用光敏單元總數(shù)來(lái)表示，如一百萬(wàn)像素。

　　制造商通常對(duì)于給定的圖像傳感器會(huì)給出兩個(gè)像素?cái)?shù)目指標(biāo)。第一個(gè)數(shù)字是傳感器上所有的像素?cái)?shù)目，如三百三十四萬(wàn)像素或者寫為3.34 Mega Pixels。第二個(gè)數(shù)字是傳感器上真正用于捕捉圖像的光敏單元(激活像素)數(shù)目。第二個(gè)數(shù)字一般比第一個(gè)小5%左右。

　　在超凈環(huán)境中生產(chǎn)數(shù)字相機(jī)

　　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(chǎn)一個(gè)100%完美毫無(wú)缺陷的產(chǎn)品幾乎是不可能的，我們通常把圖像傳感器生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)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(shù)據(jù)時(shí)的校準(zhǔn)過(guò)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(qū)域的像素被人為遮蔽，避免接受外來(lái)光線，而是用于檢測(cè)CCD背景所產(chǎn)生的噪聲，以便在實(shí)際圖像數(shù)據(jù)中將背景噪聲加以扣除。

　　需要技術(shù)的像素?cái)?shù)與CCD尺寸關(guān)系不是線性的，從三百萬(wàn)像素提高到四百萬(wàn)像素像素?cái)?shù)增加了一百萬(wàn)，但CCD尺寸并不會(huì)增加25%，甚至有可能沒(méi)什么變化。

　　目前大多數(shù)的數(shù)字相機(jī)都只使用一個(gè)單圖像傳感器(CCD或者CMOS)，只有少數(shù)專業(yè)級(jí)數(shù)字相機(jī)使用多個(gè)圖像傳感器——入射光被光學(xué)棱鏡分成相等的部分后再被多個(gè)圖像傳感器接收。使用多個(gè)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(wèn)題。這些多圖像傳感器的數(shù)字相機(jī)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作工藝要求高，所以體積比較大，而且價(jià)格昂貴。

　　有趣的是，多圖像傳感器的設(shè)備也無(wú)線性變化規(guī)律可循。在多數(shù)情況下，它們必須有三個(gè)獨(dú)立的圖像傳感器(CCD或者CMOS)分別對(duì)應(yīng)紅、綠、藍(lán)三種顏色的處理工作，每一個(gè)傳感器承擔(dān)每個(gè)像素1/3的信息處理量。在一個(gè)3百萬(wàn)像素的三傳感器的攝像機(jī)中，每一個(gè)傳感器都必需是三百萬(wàn)像素的，但是用于靜態(tài)拍攝的多傳感器數(shù)字相機(jī)中就不存在這個(gè)問(wèn)題。它們內(nèi)部多傳感器對(duì)信息的處理方式隨著制造商、相機(jī)類型的不同而迥異。

　　一些三傳感器數(shù)字相機(jī)采用圖像插值運(yùn)算技術(shù)，它們的三個(gè)傳感器就是各負(fù)擔(dān)最終畫面1/3的信息處理。其他的多傳感器數(shù)字相機(jī)則先將每個(gè)傳感器初始入射光信息混合后，再用復(fù)雜的算法程序進(jìn)行處理合成。例如現(xiàn)在已經(jīng)停止生產(chǎn)的Minolta RD-175 數(shù)字相機(jī)，它具有三個(gè)CCD傳感器，其中兩個(gè)對(duì)應(yīng)于綠色的處理，第三個(gè)傳感器則兼顧紅藍(lán)兩色。(這種兩個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)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(gè)傳感器都不到五十萬(wàn)像素，但是它們通過(guò)算法程序處理后的畫質(zhì)相當(dāng)于一百七十萬(wàn)像素左右。

　　在許多數(shù)字相機(jī)中，傳感器的每個(gè)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(qū)域就顯得非常重要。為達(dá)到這一目的，許多商品化的數(shù)字相機(jī)圖像傳感器中，每個(gè)像素前都有一個(gè)“微透鏡”用來(lái)保證光子直接入射到像素的感光區(qū)域。

　　因?yàn)閳D像傳感器本身只能完成光電轉(zhuǎn)換而無(wú)法分辨顏色，數(shù)字相機(jī)通常采用彩色濾鏡陣列CFA(color filter array )來(lái)實(shí)現(xiàn)彩色輸出。CFA的主要作用是讓每個(gè)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(jù)不同的色彩需求來(lái)選擇不同的CFA結(jié)構(gòu)，不管何種CFA結(jié)構(gòu)其目的都是使所需光線通過(guò)濾鏡，使每個(gè)像素接受的光線具有單一波長(zhǎng)。所有CFA的設(shè)計(jì)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(zhǔn)確顯示。

　　CFA讓每一個(gè)像素只感受一種顏色的光線

　　CFA結(jié)構(gòu)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(lán)色的濾鏡，而且綠色濾鏡的數(shù)量為紅色(或藍(lán)色)的兩倍。這樣做是因?yàn)槿搜蹖?duì)綠色光波比紅藍(lán)兩色要敏感的多，所以這樣的數(shù)量分配就使得人眼所見的圖像亮度適宜，更接近真實(shí)色彩。

　　究竟什么是真正的不失真的優(yōu)質(zhì)畫色呢?由于從科學(xué)的角度上來(lái)定義并科學(xué)測(cè)定人眼對(duì)色彩的感知是一個(gè)極其復(fù)雜的課題，所以產(chǎn)生了許許多多的標(biāo)準(zhǔn)，莫衷一是。不同的制造商則選擇采用不同的模式和運(yùn)算程序來(lái)定義它們認(rèn)為的數(shù)字相機(jī)的最佳色彩。

　　所有的數(shù)字相機(jī)在圖像傳感器上都裝有一個(gè)電子快門(和傳統(tǒng)膠片相機(jī)的機(jī)械快門不同)，電子快門的作用是精確調(diào)節(jié)入射光線投射到傳感器的時(shí)間。電子快門的開關(guān)控制傳感器是否接收外來(lái)光線。有些高級(jí)數(shù)字相機(jī)甚至還加入一個(gè)昂貴的機(jī)械快門，這并不是畫蛇添足，在電子快門關(guān)閉完成后，它能夠有效地防止可能產(chǎn)生的極少量光線入射在傳感器上的現(xiàn)象。這就大大降低了合成圖像上產(chǎn)生陰影、條紋和模糊的可能。

　　當(dāng)你面對(duì)要拍攝的景物按下一半快門的時(shí)候，數(shù)字相機(jī)會(huì)鎖定焦點(diǎn)和曝光值——這個(gè)步驟和傳統(tǒng)膠片相機(jī)是一樣的。但當(dāng)你按下全部快門后，發(fā)生的事情就和膠片相機(jī)完全兩樣了。

　　1. 第一個(gè)步驟是機(jī)械快門關(guān)閉(如有機(jī)械快門的話)，同時(shí)傳感器立即進(jìn)行電荷清洗。這樣做的原因是因?yàn)閳D像傳感器一直充盈著電荷而保持于激活狀態(tài)(在一些高級(jí)的數(shù)字相機(jī)中，圖像傳感器能夠在捕捉圖像前處于休眠狀態(tài)，這樣有助于散熱和改善信噪比)。在沒(méi)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(jìn)行電荷更替，所以，在準(zhǔn)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(shù)字相機(jī)(例如Olympus Camedia E-100RS)能夠?qū)⒆罱那逑磾?shù)據(jù)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(jī)前會(huì)不安分地動(dòng)來(lái)動(dòng)去，在這類拍攝情況下這樣的功能是有意義的。

　　2. 當(dāng)在攝影者選擇將照相機(jī)拍攝前的電荷分布數(shù)據(jù)存入緩存或清除后，數(shù)字相機(jī)的所有程序處理器開始正式工作。其中一個(gè)處理器是將存入緩存的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整和設(shè)置，為拍攝做好準(zhǔn)備。例如，控制白平衡的處理器開始設(shè)置在當(dāng)前圖像條件下具體那些像素為白色，并且會(huì)調(diào)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(shù)的預(yù)設(shè)過(guò)程也與此相近。這些參數(shù)也會(huì)被存入緩存，以備后用。如果在拍攝過(guò)程中LCD顯示器也在工作的話，這些數(shù)據(jù)也將被顯示出來(lái)。

　　3. 當(dāng)以上兩個(gè)步驟完成后，拍攝前的圖像傳感器設(shè)置就告結(jié)束，一切就緒后當(dāng)你按動(dòng)按鈕時(shí)，相機(jī)的機(jī)械快門打開并同時(shí)激活電子快門，在預(yù)設(shè)的曝光時(shí)間內(nèi)接受光線，曝光結(jié)束后，機(jī)械快門也自動(dòng)同時(shí)關(guān)閉。

　　4. 在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中電子快門會(huì)再次打開，直到攝像者按動(dòng)按鈕開始為下一張相片的拍攝進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗為止。當(dāng)處理器(攝影者)啟動(dòng)電子閃光設(shè)置后，數(shù)字相機(jī)會(huì)自動(dòng)照射所攝景物，一個(gè)單獨(dú)的光線感應(yīng)器會(huì)檢測(cè)閃光強(qiáng)度，檢測(cè)結(jié)果達(dá)到曝光要求后閃光燈就自動(dòng)關(guān)閉。

　　由于圖像傳感器的電荷清洗過(guò)程和拍攝參數(shù)設(shè)置過(guò)程都需要一定的時(shí)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(chǎn)生了延時(shí)效應(yīng)。在市面上的普通數(shù)字相機(jī)，其延時(shí)從60毫秒到1.5毫秒不等。

　　應(yīng)用大容量的緩存設(shè)備和高速處理器能夠縮短延時(shí)效應(yīng)。這就是為什么能夠進(jìn)行高速拍攝的數(shù)字相機(jī)昂貴的原因。在這些價(jià)格不菲的專業(yè)數(shù)字相機(jī)中，Nikon DH1具有128MB緩存。其他一些相機(jī)，例如Kodak誷 DCS 520, 620, 和 Fuji S1具有64MB緩存。少數(shù)數(shù)字相機(jī)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(shù)為CMOS)的數(shù)字相機(jī)的數(shù)據(jù)傳遞速率通常比較高，這是因?yàn)楹退械臄?shù)字處理系統(tǒng)相類似，處理器內(nèi)部的帶寬和處理能力決定了數(shù)據(jù)的處理速度。

　　圖像傳感器通過(guò)將入射的光子轉(zhuǎn)換成電子形成模擬信號(hào)，下一個(gè)步驟就是未被光敏單元束縛的電荷開始定向移動(dòng)，通過(guò)輸出放大器形成電壓信號(hào)，這些電壓信號(hào)繼續(xù)傳遞至模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC。

　　CMOS和CCD圖像傳感器的主要區(qū)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(diǎn)是有噪聲的影響，但是其最大的優(yōu)勢(shì)是集成有ADC。ADC能夠直接將模擬的電壓信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)。這些數(shù)字信號(hào)將被進(jìn)一步處理后最終根據(jù)不同的色度要求形成紅、綠、藍(lán)三種色彩信道，通過(guò)相應(yīng)的像素來(lái)顯示出具體的顏色和深度。

　　ADC將數(shù)字信息流傳遞給數(shù)字信號(hào)處理器DSP(Digital Signal Processor)——處理器的構(gòu)造每種數(shù)字相機(jī)各不相同。在DSP中，大量的數(shù)字信息經(jīng)一系列預(yù)設(shè)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(shù)據(jù)、分配每個(gè)像素的顏色和灰度。在單一傳感器數(shù)字相機(jī)中，如果只有一個(gè)彩色濾鏡陣列，算法程序?qū)⒅饕M(jìn)行每個(gè)像素的顏色數(shù)據(jù)處理。算法程序通過(guò)分解臨近的像素顏色來(lái)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(gè)像素的顏色都可以看成是三原色的合成。通過(guò)如上步驟，最終的圖稀奧厶逞轄?釗耍?胱⒁餑愕撓镅裕　蓖能夠顯示出自然的顏色。

　　大多數(shù)數(shù)字相機(jī)能夠記錄下圖像傳感器所傳遞的全部圖像數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，DSP就成為圖像分辨率的控制因素。例如，用一個(gè)3M像素?cái)?shù)字相機(jī)以VGA模式進(jìn)行拍攝，而不是僅僅限定為640×480分辨率，相機(jī)將得到全部的20486×1548色彩位度。接著，通過(guò)攝像者在拍攝前在LCD面板上進(jìn)行的設(shè)置，DSP就會(huì)按照設(shè)定的分辨率生成圖像。

　　每個(gè)廠商設(shè)計(jì)的處理程序各不相同，他們通過(guò)各不相同的色彩平衡與色飽和度設(shè)置來(lái)生成彩色圖像。數(shù)字相機(jī)還運(yùn)用一個(gè)或者多個(gè)DSP以及其他設(shè)備來(lái)共同處理所得數(shù)據(jù)，以期達(dá)到完美畫質(zhì)。并且充分考慮消費(fèi)者對(duì)畫質(zhì)偏好的選擇權(quán)利。如果想要攝下本不需要的噪聲，或者通過(guò)電子快門來(lái)實(shí)現(xiàn)霧化效果，這些需求制造商都是通過(guò)對(duì)算法處理程序進(jìn)行相應(yīng)的修正來(lái)滿足的。類似的程序修正還有很多，例如圖像銳化的應(yīng)用，白平衡的預(yù)設(shè)等等。所以我們可以得出如下的結(jié)論，各個(gè)制造商所產(chǎn)數(shù)字相機(jī)的最大不同就在于圖像處理過(guò)程的種種差異。