數碼相機的工作原理。

數碼相機的出現讓我們這些非專業攝影師很容易拍出漂亮的照片。用數碼相機拍攝的照片色彩鮮艷，畫面清晰，照片處理方便快捷。但沒有多少人知道數碼相機是如何工作的，以及這些工作原理與傳統膠片相機有何不同。我們將按照照片形成的過程，從鏡頭到CCD/CMOS感光器件再到圖像處理器和存儲系統，壹步步了解數碼相機的工作原理。

鏡頭文章:

自然界中的光有很多種顏色，但總結起來，這些光可以看作是紅、藍、綠三種基本顏色不同強度的搭配。光可以簡單地看成是壹種“電磁波”，不同顏色的光有不同的波長。

顏色是物體本身的壹種狀態，我們常說什麽東西是什麽顏色。但是，嚴格來說，我們眼中物體的顏色與環境光照條件有因果關系。不同的物體反射不同的光譜，所以我們眼中有不同的色彩感受。但這個結論是建立在使用白光的前提下的。如果用不同顏色的光源照射，結果肯定不壹樣。比如我們通常所說的紅布，如果被紅色光源照射，那麽在我們眼裏就變成了白布！當含有各種顏色的光束通過彩色濾光片時，只有大量相同顏色的光束可以通過，其他光束會被濾光片吸收並轉化為熱能。

鏡頭的作用是將光線和光線聚焦在感光期。數碼相機的感光器件非常小，外界光線有時無法產生足夠的強度使感光器件獲得足夠的光源信息。透鏡通過其特定的形狀將從外部目標物體反射的光折射到光敏器件。類似的工作狀態有點像我們小時候在太陽下用放大鏡燒螞蟻。

鏡頭是由很多鏡片組成的，大部分鏡片的形狀都不壹樣，所以每個鏡片在鏡頭中的作用也不壹定相同。壹般來說，在不降低鏡頭透射比的情況下，使用多組鏡頭可以使鏡頭的成像更接近真實世界。

我們上面提到了壹個“鏡頭透射比”。簡單來說就是鏡頭能透過多少光。透鏡是由許多表面光滑的透鏡組成的，這些光滑的透鏡本身會反射光線。這會減少進入鏡頭的總進光量，影響CCD/CMOS感光器件的成像。現在的數碼相機壹般都會在鏡頭上使用壹層特殊的膜，盡可能的減少鏡頭的反光。因為鍍膜只能減少某壹種顏色光的反射，不可能讓所有的光都進入鏡頭。所以我們壹般的鍍膜主要側重於減少綠光的反射，因為人眼對綠光非常敏感。還有壹種鍍膜是為了增強鏡片的耐磨性，讓物鏡不那麽容易劃傷。

使用多個鏡頭的主要作用是校正單個鏡頭造成的“失真”。因為經過鏡頭的光有很多種，同壹鏡頭內光本身的折射率是不壹樣的，經過鏡頭後會因為鏡頭的幹涉而產生像差。像差有很多種，如球差、光暈、失光等。我們可以看到，壹些手機或者廉價相機拍出來的照片，中心有壹個小圓圈，因為使用了壹個鏡頭，無法校正鏡頭的衍射現象，產生了像差。還有就是圖像失真，這也是因為光路沒有校正。

確定要拍攝的對象後，我們將相機鏡頭對準目標對象。此時，物鏡或物鏡組會根據自動對焦系統的控制信號(由相機的中央控制器完成，後面會介紹)調整其與光敏器件之間的距離，使物體的圖像正好落在CCD/CMOS上，這樣就可以形成清晰的圖像。鏡頭壹個很重要的指標就是焦距。焦距是鏡頭的“目鏡”(最後壹個鏡頭)中心到通過的光線剛好能匯聚的點的距離。現在壹些數碼相機有自己的鏡頭，可以改變焦距。這種類型的鏡頭可以改變鏡頭內部鏡片之間的距離，使相機鏡頭可以像望遠鏡壹樣放大或縮小物體。但由於這類鏡頭本身的鏡頭最佳工作狀態是正常焦距，所以在變焦後，由於鏡頭本身的壹些不可改變的物理形狀，圖像會發生變形或扭曲。

在光路上，必須控制好光線的強度，以適應不同的拍攝環境。這種“光控”是由光圈來完成的。光圈是鏡片內部的壹組“閥門”，由幾個不透明的材料圍成壹個圓形。通過透鏡的光量可以通過改變這個圓的直徑來控制。光圈的主要作用有:1。調節光線，控制光通量；2.縮小光圈可以減少鏡片的殘余像差；3.縮小光圈可以增加景深，使入射光均勻，避免圖像四角變暗；4.使用大光圈可以減少景深來模糊焦點外的圖像，突出主題。壹般來說，景深就是目標物體後面的景物能否清晰成像。光圈壹般用f表示，如F8/F5.6等。後者的值越大，可以透射的光越少，孔徑越小。

光圈的控制壹般是自動的，即中央控制器通過測光系統給出這個快門速度和感光度下的最佳光圈數，然後驅動光圈來改變數值。在壹些相機上，還有手動模式，用戶可以自己改變光圈數。

CCD/CMOS傳感器；

CCD/CMOS傳感器是數碼相機最重要的器件之壹，也是數碼相機與傳統膠片相機根本不同的特點。CCD的全稱是電荷耦合器件，翻譯過來就是“光電荷耦合器件”，CMOS的全稱是互補金屬氧化物半導體，意思是“互補金屬氧化物半導體”。CCD和CMOS的工作原理有壹個* * *連接點，就是使用光敏二極管作為光電信號轉換元件。

如前所述，不同顏色的光通過某個濾色器的總量是不壹樣的。當我們在光電二極管上安裝綠色濾光片時，它必須通過綠光，但由於入射光的顏色，它們的深度可能不同。因此，我們使用四個光電二極管來獲取物體的反射光。r單位可以獲得紅燈；單元b可以得到藍光；g單位可以獲得綠燈。原始光的顏色可以通過處理四個單位的信號得到(兩個G單位50%)。

CCD傳感器有壹個重要的工作特性:CCD傳感器的輸出是壹個連續的電流信號。在CCD的設計中，沒有像CMOS那樣在周圍設置信號放大器，而是設置壹個緩沖器，將壹路信號按照壹定的時鐘周期連接成連續變化的電流信號輸出。在輸出端，信號的物理位置由圖像處理器根據時鐘信號的周期來確定。

光敏二極管是壹種模擬元件，它能對接收到的不同強度的光信號輸出恒定連續的電流信號或電壓信號。把這些信號量化，也就是“數字化”，就是把電流信號或者電壓信號按照強度的不同進行分類。比如光電二極管接收到(某壹值)最大強度光時輸出的電壓信號設為第255級；無光時的照明時間為1。這樣，最大值和最小值之間有256級，圖像處理器采用類似“四舍五入”的方法對信號強度進行分類，從而最終將連續變化的模擬電流/電壓信號變為離散穩定的數字信號。現在的數碼相機壹般是按照每個光電二極管的輸出信號可以量化成256級來計算的。在這種狀態下，三個光電二極管可以有256*256*256種顏色。因為256本質上是壹個二進制的8位數，256色是壹個8位通道，所以這樣的數碼相機就是8bit * 8 bit * 8 bit = 24 bit。

CMOS傳感器也是壹種光敏二極管，用於將光信號轉換為電信號。不同的是CMOS輸出的是電壓信號。傳感器的每個光電二極管都有壹個獨立的放大器。這是因為傳感器是由不能像CCD壹樣阻止電子在上面自由移動的材料制成的，所以CMOS傳感器的信號相互幹擾非常厲害，產生了很多寄生幹擾。為了盡可能放大光電二極管輸出的極其微弱且易受幹擾的電壓信號，必須在光電二極管附近設置放大器進行放大後再輸出，這樣即使受到幹擾，影響也是微弱的。但是這些放大器的參數很難完全壹致，它們參數的不同導致最終計算結果會有壹些差異。也是這個原因。我們看到很多以CMOS為傳感器的相機或低檔數碼相機的圖像，都有很多白噪聲或其他顏色的斑點，這是由於信號的相互幹擾，導致放大器不能正確放大信號的結果。

在數碼相機中，感光度的調整是通過改變光電二極管放大器的放大倍數來實現的。比如在光線不足的情況下，我們可以加大信號放大器的放大倍數，讓後面的模數轉換器獲得更高的輸出電壓/電流信號。與不調整放大倍數相比，這樣可以獲得亮度信號更強的畫面。

在壹般應用數碼相機中，傳感器壹般都是按照上述原理制作的，最多只是在光電二極管的排列上做了壹些文章。

中央控制器:

中樞是數碼相機的大腦，數碼相機的所有動作，如開機自檢、錯誤處理等都是由中央控制器發出的。中央控制器是可編程DSP(數字信號處理)，外圍或者內部有壹個小容量的FLASH，負責存儲壹些程序語句。中央控制器根據這些程序語句，響應相機的各種操作，比如判斷環境的光線強度，調整光電二極管放大器的放大倍數，使用或不使用閃光燈，使用什麽快門速度和光圈等。

圖像處理器:

在圖像處理器中，除了計算每個像素的顏色外，還要按照壹定的時鐘周期進行排列，形成壹幅完整的圖像。在某些情況下，應該以某種格式壓縮圖像，使圖像變小。圖像處理器本質上也是壹個可編程DSP處理器。事實上，圖像處理器算法的好壞對處理圖像的質量有很大的影響。

在量化電壓/電流信號之後，圖像處理器應該計算像素的顏色。例如，在R單位中獲得的值是255，在G單位中獲得的值是153，在B單位中獲得的值是51。然後圖像處理器根據自己定義的算法代入上述三個值，得到R值為255，G值為153，B值為51的顏色。

在圖像處理過程中，通常使用“插值計算”算法。所謂插值，就是在離散數據之間補充壹些數據，使這組離散數據能夠符合壹個連續的函數。利用插值，我們可以通過函數在有限點的值，也就是通過有限的數據，來估計函數在其他地方的值，從而得到完整的數學描述。壹般來說，當我們增加壹張圖片的像素值時，我們會使用插值算法。圖片中有那麽多像素，但是我們可以用軟件計算出某兩個像素的中間值，插入到這兩個像素之間。這種方法並不能真正增加畫面的分辨率細節，但插值計算出來的像素通常與真實情況相差不遠，在某些場合還是有用的(比如想放大畫面但又不想出現馬賽克鋸齒)。現在有些相機廣告說它的產品能拍的最大像素數，要註意是不是有效像素；如果只是插值的話，意義不大，因為理論上插值計算可以是無限的。

以這種方式，根據所產生的光電二極管的物理位置來排列所產生的圖片，從而可以獲得完整的未壓縮的圖片，並將其存儲在隨機動態存儲器RAM中。如果沒有壓縮需求，會寫入FLASH存儲或者通過接口傳輸到其他設備。

壓縮圖片時，JPG是數碼相機的首選壓縮格式，因為JPG具有非常高的壓縮比，可以根據用戶的容量要求設置圖像質量。就現實而言，壹張內容復雜的TIFT圖片和壹張內容相同但兩者差異難以被肉眼察覺的JPG的容量比大概可以達到5: 1甚至更高。

JPG的壓縮方法大致可以分為三步(註意離散余弦變換針對的是R、G、B中的壹個值，而不是R、G、B的處理值，所以離散余弦變換的系數是顏色分量碼，範圍是1到255): 1，離散余弦變換(DCT)，去除圖像。2.量化圖像。量化是根據人眼的生理特點進行具體的結構安排，量化表是確定這些安排的標準化表格；3.編碼:對數據本身進行統計壓縮，使壓縮圖像的數據流最小化。在離散余弦變換的過程中，首先將圖像分成8*8的小圖像塊，然後對每個圖像塊進行DCT變換。DCT變換是壹種正交變換，具有以下特點:壹是沒有失真，整個過程是可逆的；第二，可以去除相關性；第三，能量重新分布，集中在圖像的左上角，呈倒三角形分布。以壹個8*8的小圖像塊為例。其* *包含8*8=64個樣本值，DCT變換後仍然是64個樣本值，達不到碼率壓縮的目的。但在量化舍入時，量化表符合人眼的特性，即對圖像左上角的低頻分量設置細量化，對其余部分即高頻分量設置粗量化。此時，網格中的大部分系數為零；然後，Z形數據經過“之”字形掃描讀取後，只有這壹串數據的前端部分較大，其余部分較小，甚至為零。此時零遊程編碼可以有效壓縮數字速率。在壹些對比強烈的地方，比如壹些邊界，我們會發現那些塊的像素根本沒有對齊；還有壹些“光暈”和“幻影”現象，是在對小圖像塊進行量化的過程中出現的，但如果壓縮率較低，這些失真非常小，我們壹般不會察覺到。量化後需要對圖像進行編碼，即將壹系列數據進行排隊，利用概率原理對數據進行無損壓縮。霍夫曼編碼是編碼中應用最廣泛的編碼方法，是壹種統計編碼。壹般來說，變字長編碼是指霍夫曼編碼。霍夫曼編碼需要事先約定好，存儲在壹個編碼表中，方便後期對比。只有解碼，才能正確發現編碼代表的是什麽。其具體方法是將壹個數據串按照符號出現的概率進行排隊，然後將兩個最小概率相加作為新概率和剩余概率再次排隊，以此類推，直到最後的概率之和為1。每次給“0”和“1”兩個加法概率。讀出時，它們從符號開始，壹直延續到最後的“1”，路線上遇到的“0”和“1”按照從最低位到最高位的順序排列，這就是符號的霍夫曼編碼。這樣生成的二進制數就是JPEG的實質性數據。但我們通常不只是傳輸圖像，還要組織數據流和打包。組織數據流是將各種標誌碼和編碼圖像數據組合成壹幀壹幀的數據，便於傳輸、存儲和解碼器解碼。打包就是解釋編碼產生的二進制數，以便解碼器正確解碼圖像。壹般的包裝還包括拍這張照片時相機的壹些數據，比如這款相機的型號/光圈/快門/分辨率/日期。然後，這些數據可以傳輸到接口電路，或寫入FLASH或傳輸到其他外部處理設備。

記憶篇:

內存通常是數碼相機中的外設，裏面只安裝了小容量的FLASH芯片，不足以拍攝高分辨率的照片。壹般的存儲器有CF(Compact Flash)、SM(Smart Media)、MMC(Multi Media Card)、SDC(Secure Digital Card)、MSD(Memory Stick Duo)、IBM的微型硬盤等。但總的來說，除了IBM的產品，這些存儲器都是使用FLASH作為存儲元件。讓我們看看閃存如何從其內部微觀結構保存數據。

我們知道二進制數的存儲主要是通過壹個簡單的開關來實現的。閃存也是如此，內部是壹系列不怕斷電的“開關”。這些“開關”的通斷代表壹個二進制數0，1，所以壹系列的開關可以代表很多個二進制數，然後通過轉換這些二進制數就可以得到我們平時看到的有意義的數據。

FLASH芯片由許多絕緣柵MOS管陣列按壹定的排列順序組成。FLASH芯片的“開/關”主要是通過這些MOS晶體管來實現的。絕緣柵MOS管的底層是壹個晶體管的NP結，這個NP結上面浮著壹個多晶矽，周圍是場氧化層。

網格。該浮動柵極的“浮動”構成了MOS晶體管的源極和漏極之間的導電溝槽。如果在不依賴電源的情況下，浮柵上有足夠的電荷，那麽MOS晶體管的源極和漏極就可以導通，在掉電的情況下也可以達到保存數據的目的。在MOS管的源極和柵極之間施加正向電壓，使浮柵上的電荷擴散到源極，使源極和漏極不導通；如果在源極和柵極之間施加正向電壓U-1，但同時在源極和漏極之間施加正向電壓U-2，且U-2始終小於U-1，那麽源極上的電荷會擴散到柵極，給浮柵充電，這樣源極和漏極就可以導通。由於浮柵是“浮動”的，沒有放電電路，所以在斷電的情況下浮柵上的電荷不能長時間擴散到其他地方，使源漏保持“通/斷”。

這樣，控制器通過壹定的接口與圖形處理器相連。接收到寫命令後，控制壹個MOS管的源極和柵極、源極和漏極電源的導通或關斷，使MOS管導通或關斷，從而達到存儲數據的目的。

通過以上分析，我們對數碼相機各部分的工作原理有了大致的了解。雖然現在市面上有些產品號稱采用了很多所謂的新技術，但是性能比其他產品要好。但數碼相機的基本工作原理還是大同小異，那些新技術大多是小“改進”，並沒有真正改變數碼相機的基本工作原理。

數碼相機的普及是現代人的福音。數碼相機和數碼攝像機的出現讓更多的人享受到了藝術的樂趣，藝術不再是那些背著昂貴單反相機，經濟實力雄厚的人的專利。隨著降價潮的到來，越來越多的人開始使用高品質的數碼相機，高速度、高質量地記錄身邊稍縱即逝的故事。正是這些隨意取材的故事，讓我們時代的氣息永遠留在了人們的記憶裏。我們不得不說:科技改變了世界。

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