数码相机的工作原理来自电子土拨鼠

c100 2013-08-29

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那个每天记录下你的欢笑和精彩，把你的记忆和感受一丝不落的放在心里的可爱宝贝，你对她的良苦用心又了解多少呢？快点走入她的内芯世界吧！

数码相机与传统相机的区别在于：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，而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。虽然由于胶卷提供的照片质量仍然高于数码相机，数码在一定时间能也不能完全取代传统相机，但是，随着数字图像技术的进步，数码相机正在逐步超越传统相机，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。

数码相机原理

数码相机不用胶卷，而是使用传感器将光转化为电荷。

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。

CCD/CMOS传感器是数码相机最重要的器件之一，也是数码相机根本区别于传统胶片相机的特征。CCD的全称是Charge Couple DevICe，译过来就是“光电荷耦合器件”，CMOS的全称是Complementary Metal-Oxide SEMIconductor，有“互补金属氧化物半导体”的意思。CCD和CMOS的工作原理有一个共通点，那就是都是用光敏二极管来作为光-电信号的转化元件。

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：
CCD将电荷传送到芯片上并在矩阵的某个角落读取电荷。接着由模数转换器（ADC）测量每个感光单元的电荷数量并将测量结果转换为二进制形式，从而将每一个像素的值转换为二进制数字形式的值。
CMOS装置则在每一个像素中使用几个晶体管，并借助更多传统的电路将电荷放大并移动。由于CMOS信号是数字信号，因此无需使用ADC。

光子撞击感光单元并释放电子

两类传感器各有优缺点：

      CCD传感器形成的图像质量高、噪声低。CMOS传感器通常更容易受到噪声的影响。
      由于CMOS传感器中的每一个像素旁边都存在多个晶体管，因此CMOS芯片的感光度更低。许多光子没有撞击到光敏二极管，而是撞击到这些晶体管上。
      CMOS通常消耗很少的能量。而CCD则不同，其使用的工序耗能很大。CCD消耗的能量是同等CMOS传感器的100倍。
      CCD传感器投入量产的时间更长，因此更加成熟。这类传感器具有更高的像素质量和数量。

CCD传感器实体图

虽然两类传感器存在许多差异，但它们在相机中的作用是相同的，都是将光转化为电。如果只是为了了解数码相机的工作原理，可以把它们看作是几乎相同的装置。

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：
      256x256：在非常廉价的相机中可以找到，由于分辨率太低，画质几乎总会无法让人接受。总像素为65000。
      640x480：这是大多数真正意义上的相机所具有的起始分辨率，是通过电子邮件发送或在网站发布照片的理想选择。
      1216x912：图像大小达到百万像素（总像素为1109000），可用来打印照片。
      1600x1200：总像素接近200万，属于“高分辨率”。你可以用大约10 x 13厘米的相纸打印用该分辨率拍摄的照片，其质量和照相馆拍出来的不相上下。
      2240x1680：在400万像素相机中可以找到这种分辨率，该分辨率允许打印更大的照片，能够获取高质量打印效果的最大图像尺寸大约是41 x 51厘米。
      4064x2704：这是目前业界较高技术水平的1110万像素数码相机在拍照时使用的分辨率。如果使用这种分辨率，你可以打印的照片尺寸大约是34 x 23厘米，而画质不会出现任何失真。

使用不同分辨率拍摄的图像大小

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。

相机成像原理

当不同颜色的光线透过某一种颜色滤光镜的总量是不是一样的。我们在一个光敏二极管上安装一个绿色滤镜时，穿过一定是绿色的光线，但它们的深浅可能因入射光线的颜色而有所不同。所以，我们用四个光敏二极管来获取某物体的反射光线。R单元可以获取红色的光线；B单元可以获取蓝色的光线；G单元可以获取绿色的光线。将四个单元的信号（两个G单元各取50%）进行处理就可以获得原始光线的颜色。

三原色混合新颜色

颜色是物体其本身的一种状态，我们经常说某东西是什么颜色。但是，严格说来，物体在我们的眼里呈现的颜色与环境照明条件有着因果关系。不同的物体反射的光谱不同，因而在我们的眼睛里有不同的颜色感觉。但这个是在用白色光的前提下才有的结论，如果我们换用不同颜色的光源来照射，那得到的结果肯定是不一样的。例如，我们平时所说的红色的布，如果用红色的光源来照射，那么它在我们的眼里就变成了白布！当包含各种颜色的光线束通过本身就有颜色的滤光镜片时，只有和它相同颜色的光线才能大量地通过，其他的光线都会被滤光镜吸收掉，转化为热能。

数码相机是通过镜头将光线聚集到感光器件上的。数码相机的感光器件很小，而且外部的光线有时无法产生足够的强度来使感光器件获得足够的光源信息。镜头就将外部的目标物体反射回来的光线通过其特定的形状，令光线折射到感光器件上。类似的工作状态有点像我们小时候在太阳光下用放大镜来烧蚂蚁。

原始图像（左）在光束分束器中被分割

镜头是由许多块镜片组成的，这些镜片的形状大都不相同，所以每一块镜片在镜头中的作用也不一定一样。一般来说，在不使镜头的透过率降低的情况下，采用多组的镜片可以使镜头的成像更接近现实世界。

上面我们提到一个“镜头的透过率”，简单讲来，就是光线可以有多少穿过镜头。镜头是由许多块表面光滑的镜片组成的，这些光滑的镜片本身就会对光线产生反射。这样会使进入镜头的光线总量减少，影响后面的CCD/CMOS感光器件的成像。现在的数码相机一般采用在镜片上镀一层特殊的膜来使镜片的反射尽可能减少。由于镀一种膜只能使某一种颜色的光线减少反射，而不可能使所有的光全部进入镜头。所以，我们一般的镀膜主要集中在减少绿色的反射，因为人的肉眼对绿色光非常敏感。还有一种镀膜是为了增强镜头的耐磨性，使物镜不那么容易被划伤。

采用多种镜片的作用主要是纠正单块镜片所造成的“失真”。由于透过镜片的光线有许多种，其本身在同一块镜片中的折射率就不同，透过镜片后会因为镜片的干扰而产生像差。像差有许多种，例如球面象差，晕光和失光。我们在一些手机或廉价的摄像头所拍摄的照片可以看到，照片中央有一个小圆圈，这是因为他们采用了一块镜片而无法对镜片的衍射现象进行校正造成像差。还有就是图像变形，这也是因为没有对光线的路径进行校正。

数码相机使用以下四种镜头：
定焦镜头：这是廉价的一次性胶卷相机所使用的镜头，价格便宜且非常适合抓拍，但是很受局限。
可自动调焦的光学变焦镜头：类似于摄像机的镜头，具备“广角”与“远摄”选项和自动聚焦功能。相机支持或不支持手动调焦。这种镜头不只是将撞击到传感器上的信息放大，而是真正改变了镜头的焦距。
数字变焦镜头：有了数字变焦，相机就能够在图像传感器中央获取像素并进行插补，以形成完整大小的图像。这种方法形成的图像可能有颗粒感或较模糊，具体取决于图像的分辨率和传感器。可以用图像处理软件手动演示这种效果：随便拿出一张照片，将照片中央部分剪切掉再放大。
可更换镜头：这和35mm 相机使用的可更换镜头类似。某些数码相机可以使用35mm相机所使用的镜头。
数码相机存储器

存储器在数码相机一般是外设，其内部一般只会安装很小容量的FLASH芯片，这对拍摄高分辨率的照片来说是远远不够的。一般的存储器有CF（ComPACt Flash）、SM（Smart Media）、MMC（Multi Media Card）、SDC（Secure Digital Card）、MSD（Memory StICk Duo）、IBM的微型硬盘等。但就一般而言，这些存储器除了IBM的产品以外，其他的都是采用闪存FLASH来作为存储部件的。我们就从FLASH的内部微观结构来看它是怎么保存数据的。

我们知道，二进制数的保存主要通过一个简单的开关就可以达到。FLASH也是这样，它的内部就是一串串不怕断电的“开关”，这些“开关”的开、断就代表一个二进制数0、1，那么一串串的开关就可以表示很多个二进制数，再对这些二进制数进行转换，就可以得到我们平时所见的有含义的数据了。

FLASH芯片是由许多个绝缘栅MOS管阵列按照一定的排列顺序构成的。FLASH芯片的“开/关”主要也是通过这些MOS管来进行的。绝缘栅MOS管的底层是一个晶体管的NP结，在这个NP结的上面有一个被场氧化物所包围的多晶硅浮空栅。这个浮空栅的“浮空”构成了MOS管的源极、漏极之间的导电沟。如果这个浮空栅上有足够的电荷存在而不用依赖电源，那么就可以使MOS管的源极、漏极导通，在断电的情况下也可以达到保存数据的目的。

在MOS管的源极和栅极之间加一个正向的电压，使浮空栅上的电荷向源极扩散，那么源极、漏极不导通；如果在源极和栅极之间加一个正向的电压U-1，但同时也在源极和漏极之间加一个正向的电压U-2，而且U-2总是小于U-1，那么源极上的电荷就向栅极上扩散，使浮栅带上电荷，这样就可以使源极、漏极导通。因为浮栅是“浮”空的，没有放电回路，浮栅上的电荷可以在断电的情况下很长时间不向其他地方扩散，使源极和漏极保持“开/关”。

这样，控制器通过一定的接口和图形处理器连接。在接到写入命令以后，就控制某个MOS管的源极和栅极、源极和漏极电源的开或关，使其中的MOS管导通或断开，从而达到存储数据的目的。

数码相机的处理器

数码相机中处理器主要分两类，中央处理器和图像处理器。前者是数码相机的大脑，数码相机的一切动作，例如开机自检、错误处理等，都由中央控制器发出。中央控制器是一块可编程的DSP（Digital Signal Processing 数字信号处理），在外围或其内部，有一个小容量的FLASH，负责存放一些程序语句。中央控制器按照这些程序语句对相机的各种操作做出反应，例如对环境的光线强度做出判断、调节感光二极管放大器的放大率、用不用闪光灯、采用何种快门速度和光圈等。

图像处理器中除了要把每一个像素点的颜色计算出来外，还要把它们按照一定的时钟周期进行排列，组成完整的图像。在某些场合还要对图像进行一定格式的压缩，使图像的容量更小。图象处理器实质上也是一块可编程的DSP处理器。事实上，图像处理器算法的好坏对处理出来的图像质量影响很大。

在对电压/电流信号进行量化以后，图象处理器要对像素的颜色进行计算。例如，在R单元得到的数值是255，在G单元得到的是153，在B单元得到的是51，那么，图象处理器按照本身定义的算法，将以上三个值代入，得到一个R值为255、G值为153、B值为51的颜色。

图像中的插值计算
在图像处理的过程中，通常会用到“插值计算”这个算法。所谓的插值，就是在离散数据之间补充一些数据，使这组离散数据能够符合某个连续函数。利用插值可通过函数在有限个点处的取值状况，估算该函数在别处的值，即通过有限的数据，以得出完整的数学描述。通俗地讲，我们把一张图片的像素值增多，就是运用了插值算法。图片的像素本来就是那么多，但我们却可以用软件把某两个像素的中间值计算出来，然后插在这两个像素的中间。这种方法不能真正地使图片的分辨细节增加，但通过插值计算而来的像素通常不会和真实情况相差太远，在某些场合（例如想把照片放大但又不想出现马赛克锯齿）还是有一定的用处的。现在一些相机的广告说它的产品最高可以拍出达到多少多少像素的照片，这时我们就要注意它是否是有效像素；如果只是经过插值处理的，那是没多大意义的，因为从理论上来说，插值计算是可以无限的。