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在过去二十年里，消费电子产品的大多数重要技术突破实际上可归结于一项更大意义上的突破。仔细观察就会发现，CD、DVD、高清电视、MP3和DVR其实都是基于相同的原理，即：将传统的模拟信息（用起伏波表示）转变为数字信息（用1和0，或比特表示）。这一技术上的根本转变完全改变了我们处理图像和声音信息的方式，使许多事情成为可能。
数码相机的出现是这一转变最显著的例子——它与传统相机存在本质上的差异。传统相机完全依赖化学和机械工艺——你甚至不需要用电来操作相机。而所有数码相机都内置有计算机，并且都以电子形式记录图像。 这种新方法已经获得巨大成功。由于目前胶卷提供的照片质量仍然高于数码相机，因此数码相机还没有完全取代传统相机。但是，随着数字图像技术的进步，数码相机已经迅速超越传统相机，将变得更加普及。 在这篇文章中，我们将一起了解这类神奇数码装置的具体工作原理。
了解基本原理 假设你想拍一张照片并通过电子邮件发送给朋友。要实现这一点，你必须借助计算机能够识别的语言来表示这个图像，即比特和字节。数字图像本质上仅仅是由1和0组成的长字串，1和0可用来表示微小的色点（或像素），所有色点（或像素）共同组成图像。（有关数据的取样及数字化表示方面的信息，请参见对声波数字化进行的说明。光波数字化的原理与此类似。） 如果你希望将一张照片转变成数字形式，可以采用两种方法：
从最根本来说，这正是数码相机要实现的功能。数码相机也和传统相机一样，包含一系列镜片，使光线聚焦、景物成像。但是，数码相机不是使光线聚焦在胶卷上，而是聚焦在能够借助电子形式记录光的半导体装置中，然后通过计算机将这种电子信息分解为数字数据。数码相机正是因为这一过程而变得好玩和有趣。 在以下几个部分，我们将一起了解数码相机是如何实现这些功能的。
无胶卷相机
大多数数码相机所使用的图像传感器是电荷耦合装置（CCD）。而有些数码相机使用互补金属氧化物半导体（CMOS）技术。CCD和CMOS图像传感器都能够将光转化为电子。如果你已经阅读了太阳能电池工作原理，你就会了解完成这种转化的相关技术。理解这类传感器的一种简便方法就是想象存在由几千或几百万个微小太阳能电池组成的二维矩阵。 传感器将光转化为电子后，读取图像中每个“电池”的值（累积电荷）。两类主要传感器之间存在的差异就体现在这个环节：
光子撞击感光单元并释放电子 两类传感器各有优缺点：
分辨率 相机能够捕捉到的细节度称为分辨率，用像素来衡量。相机的像素越多，能够拍摄的细节就越多，照片也就可以越大而不变得模糊或产生“颗粒”。 常见的几种分辨率包括：
高端相机能够捕捉超过1200万像素的图像。某些专业相机支持超过1600万像素，大幅相机甚至达到2000万像素。相比较而言，惠普公司 (Hewlett Packard) 估计，35mm胶卷的质量大约为2000万像素。 接着，让我们一起来了解相机是如何给这些图像上色的。
遗憾的是，每个感光单元都是色盲。感光单元只能记录照射到其表面的光线总强度。为了获得全彩图像，多数传感器都使用滤镜，将光线转换为三种基本颜色。相机记录下这三种颜色之后，再将它们组合形成完整的光谱。
这三种颜色如何混合形成多种颜色？ 数码相机记录这三种颜色的方式有多种。质量最好的相机使用三个独立的传感器，各自使用不同的滤镜。光束分束器将光导向不同的传感器。想象光进入相机就和水流过水管一样，使用光束分束器就像是将相同数量的水分流到三条不同的水管中。每个传感器都以同样的方式捕获图像，但是因为使用的滤镜不同，每个传感器只能对一种基本颜色做出响应。
这种方法的优点是相机在每个像素位置记录下这三种颜色。遗憾的是，使用采用这种方法的相机通常体积较大，价格昂贵。 另一种方法是在唯一的传感器前面旋转一系列红、蓝、绿滤镜，该传感器快速连贯地记录这三种独立的图像。这种方法能够提供每个像素位置的三色信息，但是，由于这三种图像不是在精确的同一时刻拍摄，相机和拍照对象必须为这三次记录保持静止状态。这种方法对于抓拍摄影或手持相机来说不实用。
旋转滤镜 这两种方法都非常适合专业的摄影棚相机使用，但它们不一定适用于随意抓拍。一个用来记录基本颜色的更加经济实用的方法是在每个独立的感光单元上面永久放置一个称为“色彩滤镜矩阵”的滤镜。通过将传感器分割成红、蓝、绿各种像素，每个传感器周围都能够获取足够的信息，从而能够对该位置的真实颜色做出非常准确的判断。参照同一传感器相邻位置的其他像素并做出有根据的判断过程称为“插补”。 最常见的滤镜模式为贝尔滤镜模式。该模式交替使用一排红、绿滤镜和一排蓝、绿滤镜。像素并不是平均分布：绿色像素的数量是蓝色和红色像素数量的总和。这是因为人眼对这三种颜色的敏感程度不同，因此必须包含更多的绿色像素信息，以便在视觉上形成“真实颜色”的图像。
这种方法的优点是仅使用一个传感器，而且所有颜色信息（红、蓝、绿）都是在同一时刻记录的。这就意味着相机外形可以做得更小、价格更便宜且适用场合更加广泛。贝尔滤镜传感器的原始输出是由强度不等的红、绿、蓝像素组成的马赛克。 数码相机使用专用的去马赛克算法将这个马赛克转换成具有真实颜色、大小相等的马赛克。关键是每个色彩像素都被多次使用。某个像素的真实颜色由其周围最近的像素值的平均数确定。
去马赛克算法的工作原理 某些单传感器相机使用不同于贝尔滤镜模式的其他方案。例如X3 技术就在硅中置入红、绿、蓝光探测器。某些更先进的相机不是组合红、绿、蓝，而是使用排版颜色（青、黄、绿、绛红）对数值进行减法运算。甚至还有使用两个传感器的方法。然而，当今市场的多数消费相机都是使用单个传感器，交替使用绿、红和绿、蓝滤镜排。 曝光与聚焦
以上两个要素相互配合，共同捕捉形成高质量图像所需的光线数量。用摄影术语来说就是，两者共同调节传感器的曝光。你可以阅读相机工作原理，了解有关相机光圈和快门速度的知识。 相机除了要控制光线数量以外，还必须调节镜头，以控制光线在传感器上的聚焦方式。数码相机的镜头通常和传统相机镜头非常相似，甚至有些数码相机也使用传统镜头。大部分数码相机采用自动聚焦技术，你可以阅读自动聚焦相机工作原理一文以了解更多相关信息。 然而，焦距是数码相机镜头和35mm相机镜头之间的一项重大差异。焦距是指镜头到传感器表面的距离。不同制造商生产的传感器规格差别很大，但它们通常都比一张35mm胶卷短。为了将图像映射到更小的传感器上，焦距也按照相同的比例缩短。（要了解更多有关传感器规格的知识及其与35mm胶卷有何不同，请访问 Photo.net 网站。） 此外，当你在相机中浏览时，焦距可以用来确定图像的缩放比例。在35mm相机中，使用50mm镜头可以获得拍摄对象的正常比例图像。扩大焦距可以使拍摄对象放大，看起来距离更近；缩小焦距则效果相反。变焦镜头是指可调节焦距的镜头，数码相机可以使用光学变焦或数字变焦，有些两者都可使用。此外，有些相机还具备微距调焦功能，即相机可以靠近对象做近距离拍摄。 数码相机使用以下四种镜头：
接着，让我们一起来了解相机如何存储照片并将照片发送到计算机。
数码相机使用多种存储系统。这些存储设备就像可重复使用的数字胶卷，可借助盒式阅读器或读卡器将数据传输到计算机。许多相机包含固定或可移动的闪存。数码相机制造商通常都是开发自己专用的闪存设备，包括 SmartMedia卡、CompactFlash卡和记忆棒。其他一些移动存储设备包括： 不论数码相机使用何种存储设备，都需要大量空间来存储照片。数码相机通常将图像存储为以下两种格式的一种：非压缩格式TIFF和压缩格式JPEG。多数相机使用JPEG文件格式存储照片，而且有时提供质量等级设置（例如中或高）。以下图表显示的是不同规格的照片产生的文件大小。
为了充分利用存储空间，几乎所有数码相机都使用某种数据压缩格式，让文件变得更小。数字图像的两个特性使压缩成为可能，一个是重复性，另一个是不相关性。 可以想象，整张照片中的颜色会呈现出一些有规律的模式。例如，如果蓝天占据照片的30%，你就可以断定，某些深浅不同的蓝色会反复出现。压缩程序使用重复出现的模式不会导致信息丢失，图像还可以重建，效果和记录的完全一样。遗憾的是，这种方法无法使文件压缩超过50%，有时甚至无法接近这个水平。 不相关性更加复杂一些。数码相机记录的信息比人眼自然观察到的信息要多。 某些压缩程序利用这一点，剔除一些更加没有多大意义的数据。 现在让我们来总结一下数码相机拍摄照片的原理。 总结
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