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关于我

1961年大工水利系毕业,留校任教,直至1995年退休。主要教授本科生的水力学和研究生的流体力学。搞过科学实验研究和带过研究生。 退休后至2009年,在大工成人教育学院和远程教育学院任教,教授水力学和建筑设备并做成课件。 一生共编写和翻译教材10本,约300万字。其代表作是水力学教程~水力学解题指导及习题集~微机计算水力学和流体力学基础。 如今主要是养老,其次学点电脑和摄影,种点菜园等。

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【转载】知其然知其所以然 数码相机工作原理解读  

2014-11-05 16:31:45|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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知其然知其所以然 数码相机工作原理解读
2014年11月05日 08:41   佳友在线

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科技革命。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:将传统的模拟信息转变为数字信息。这一技术上的根本转变完全颠覆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。数码相机的面世,使非专业摄影师也能拍出美丽的照片成为了一件轻而易举的事。用数码相机拍出来的照片也有着艳丽的色彩,清晰的画面,而且照片的后期处理更加方便和快捷。但数码相机是怎么工作的,以及这些工作原理和传统的胶片相机有何异同,了解的人就不是很多了。今天我们就按照片的形成过程,从镜头到感光元件再到处理器和存储系统,一步一步地来了解数码相机的工作原理。

  特别提示:本文中所有图片均来源于网络。

知其然知其所以然数码相机工作原理解读

  数码相机的历史可以追溯到上个世纪四五十年代,电视就是在那个时候出现的。伴随着电视的推广,人们需要一种能够将正在转播的电视节目记录下来的设备。 1951年宾·克罗司比实验室发明了录像机,这种新机器可以将电视转播中的电流脉冲记录到磁带上。到了1956年,录像机开始大量生产。同时,它被视为电 子成像技术的诞生。

  第二个里程碑式的事件发生在二十世纪六十年代的美国宇航局。在宇航员被派往月球之前,宇航局必须 对月球表面进行勘测。然而工程师们发现,由探测器传送回来的模拟信号被夹杂在宇宙里其它的射线之中,显得十分微弱,地面上的接收器无法将信号转变成清晰的 图像。于是工程师们不得不另想办法。1970年是影像处理行业具有里程碑意义的一年,美国贝尔实验室发明了CCD。当工程师使用电脑将CCD得到的图像信 息进行数字处理后,所有的干扰信息都被剔除了。后来“阿波罗”登月飞船上就安装有使用CCD的装置,这就是数码相机的原形。得益于这一技术,在“阿波罗” 号登上月球的过程中,美国宇航局接收到的数字图像如水晶般清晰。

知其然知其所以然数码相机工作原理解读

“阿波罗”号回传的数字图像

  在这之后,数码图像技术发展得更快,主要归功于冷战期间的科技竞争。而这些技术也主要应用于军事领域,大多数的间谍卫星都使用了数码图像科技技术。

  在数码相机发展史上,不得不提的是索尼公司。索尼于1981年8月在一款电视摄像机中首次采用CCD,将其用作直接将光转化为数字信号的传感器。目前索尼每年生产的感光元件也占据了全球很大一部分的市场,这也正是现今索尼能够在感光元件市场上傲视群雄的一个原因,因为核心命脉掌握在自己手中。

  在 冷战结束之后,军备科技竞赛很快地转变为了市场科技争霸。1995年,以生产传统相机和拥有强大胶片生产能力的柯达公司向市场发布了其研制成熟的民用消费 型数码相机DC40。这被很多人视为数码相机市场成型的开端。DC40使用了内置为4MB的内存,不能使用其它移动存储介质,其38万像素的CCD支持生 成756×504的图像,兼容Windows 3.1和DOS。苹果公司的QuickTake 100也同时在市场上推出。当时两款相机都提供了对电脑的串口连接。

知其然知其所以然数码相机工作原理解读



 

柯达DC40

  从此之后,数码相机就如雨后春笋般不断由各相机厂商推出,感光元件的像素不断增加,创意功能不断翻新,拍摄的图像效果也越来越接近于传统相机了。回顾完了发展历史,让我们正式开始进入数码相机的内部世界来一探究竟。


 

  你是我的眼——镜头篇

  人类用眼睛来感知色彩缤纷的世界,而照相机则是用镜头来摄取美丽的景物。人眼中客观存在的场景实际上是一种光学信息的表达,景物反射出不同亮度和光谱的光线 以显示出不同的色彩。照相机就是要把某一瞬间的光线永久保存下来,传统照相机是把这些光线转化对应为胶片上化学药剂的变化,而这些胶片也只是半成品,还需 进一步的化学反应才能显影,可见传统胶片照相机的拍摄过程完全是光信号与化学信号的转换过程。而数码相机不管其最终的存储介质是什么,其本质是把一组一定 亮度和光谱的光线转化为一堆二进制数,然后保存在某种记录介质上,属于光信号与电信号的转换。然而不论是数码相机还是传统照相机,首先接收的都是景物的光 学信息,所以,光学镜头是必不可少的第一组件,被摄景物必须经过光学镜头才能成像到达成像器件。因此,人们常说镜头是相机的眼睛。

知其然知其所以然数码相机工作原理解读(2)

  镜头的作用是将光线聚集到感光元件上来。相比传统胶片相机来说,大部分数码相机的感光元件尺寸较小,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,汇聚折射到感光器件上。类似的工作状态有点像我们小时候在自然课上学过的用一片 凸透镜聚光来产生更多的光亮。

  在通过镜头确认要拍摄的对象以后,我们把相机的镜头对准目标物体。这时,物镜或物镜组就会根据自动对焦系统的控制信号来调节它和感光器件的距离,使物体的像刚好落到感光元件上,这样才可以形成清晰的图像。而镜头的自动对焦系统的工作原理,就是我们要讨论的重点之一。

知其然知其所以然数码相机工作原理解读(2)

  现今的数码相机自动对焦镜头从工作原理上说大多都采用了间接实测物距方式进行对焦。它是利用一些可以被利用的间接距离测量方式来获取物距,通过运算,伺服电 路驱动调节焦距的微型马达,带动调焦镜片组进行轴向移动,来达到自动调节焦距的目的。经常被利用来进行间接距离测量的方式有:无源光学基线测距、有源超声 波测距、有源主动红外测距以及现代的激光技术在测量领域的应用等。

知其然知其所以然数码相机工作原理解读(2)

  无源光学基线测距:熟悉摄影的朋友都知道,这是一种在取景器里使用光学基线原理得到磨砂、裂像、菱锥等手段的焦距调节方式。磨砂颗粒最细腻时、景物目标在两 半圆裂像环中完全吻合上、菱锥的晶体不再明显时就是被摄目标的物距调节到清晰了……这些应用技术都是可以通过光路传递给光电电路捕获到阴影面积发生的变 化,经过一系列的函数分析计算后,进行调焦驱动。  

  有源超声波测距:通过发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测,使用发射出特征频率的超声波和反射回接受到特征频率的超声波所用的时间,换算出距离,也就是物距,利用伺服电路驱动调节焦距的微型马达,达到自动调焦的目的。

  有源主动红外测距以及现代激光技术测距:二者在原理上基本相似。这类方式在应用上目标精度极高,由此而来的高成本也是可想而知的。且体积一般都比较大,维护也相当困难,不过在高档摄影器材中已经有了一些使用这类技术简化版的产品出现。  

  对焦过程结束后,各位摄影师就该准备按下快门永久保存下令人感动的瞬间了。那么具体的物象是如何变成一系列的光电信号的呢?让我们接着说说感光元件那些事。


 

  天地在我心——感光元件篇

  相比传统的胶片相机来说,数码相机最大的改变就是将感光元件从胶片转 变为了CCD/CMOS。传统胶片相机使用银盐作为感光材料,即胶卷作为感光元件,拍摄后还需经过冲洗才能得到最终成片。不但无法第一时间得知最终效果而 且在保存上也不太方便。而数码相机的“胶卷”就是其成像感光元件,它与相机融为一体,是数码相机的心脏。感光元件是数码相机的核心,也是最关键的技术。数 码相机的发展道路,可以说就是感光元件的发展道路。目前数码相机的核心成像部件有两种:一种是的CCD,一种是CMOS。

知其然知其所以然数码相机工作原理解读(3)

  CCD的全称是Charge Couple Device,翻译过来就是“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。

  它们每个感光元件的像素点分别对应图像传感器中的一个像点,由于感光元件只能感应光的强度,无法捕获色彩信息,因 此彩色CCD/CMOS图像传感器必须在感光元件上方覆盖彩色滤光片。在这方面,不同的传感器厂商有不同的解决方案,最常用的做法是覆盖RGB红绿蓝三色 滤光片,以1:2:1的构成由四个像点构成一个彩色像素(即红蓝滤光片分别覆盖一个像点,剩下的两个像点都覆盖绿色滤光片),采取这种比例的原因是人眼对 绿色较为敏感,由此组成新的R、G、B、E四色方案,而这种解决方案就是大名鼎鼎的拜耳滤镜。

知其然知其所以然数码相机工作原理解读(3)

拜耳滤镜示意图

  在接受光照之后,感光元件产生对应的电流,电流大小与光强对应,因此感光元件直接输出的电信号是模拟的。在CCD传感器中,每一个感光元件都不对此作进一步 的处理,而是将它直接输出到下一个感光元件的存储单元,结合该元件生成的模拟信号后再输出给第三个感光元件,依次类推,直到结合最后一个感光元件的信号才 能形成统一的输出。由于感光元件生成的电信号实在太微弱了,无法直接进行模数转换工作,因此这些输出数据必须做统一的放大处理。这项任务是由CCD传感器 中的放大器专门负责,经放大器处理之后,每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大。但由于CCD本身无法将模拟信号直接转换为数字信号,因此还需要一个 专门的模数转换芯片进行处理,最终以二进制数字图像矩阵的形式输出给专门的中央控制器处理芯片。而CMOS传感器中每一个感光元件都直接整合了放大器和模 数转换逻辑(ADC),当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后,电信号首先被该感光元件中的放大器放大,然后直接转换成对应的数字信号。 

知其然知其所以然数码相机工作原理解读(3)

CCD与CMOS工作示意图

  CMOS和CCD图像传感器的主要区别就是CMOS本身就有ADC,而CCD只能使用外部的ADC。CMOS图像传感器集成的ADC能够直接将模拟的电压信号直接 转换成二进制的数字信号。这些数字信号将被进一步处理后最终根据不同的色度要求形成红、绿、蓝三种色彩信道,通过相应的像素来显示出具体的颜色和深度。除此之外,还有一主要区别在于读出信号所用的方法。CCD的感光元件除了感光二极管之外,还包括一个用于控制相邻电荷的存储单元,CCD感光元件中的有效感 光面积较大,在同等条件下可接收到较强的光信号,对应的输出电信号也更明晰。而CMOS感光元件的构成就比较复杂,除处于核心地位的感光二极管之外,它还 包括放大器与模数转换电路,每个像点的构成为一个感光二极管和三颗晶体管,而感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分,造成CMOS传感器的开口率远 低于CCD(开口率:有效感光区域与整个感光元件的面积比值);这样在接受同等光照及元件大小相同的情况下,CMOS感光元件所能捕捉到的光信号就明显小 于CCD元件,灵敏度较低;体现在输出结果上,就是CMOS传感器捕捉到的图像内容不如CCD传感器来得丰富,噪点较明显,这也是早期CMOS传感器只能 用于低端场合的一大原因。CMOS开口率低造成的另一个麻烦在于,它的像素点密度无法做到媲美CCD的地步,因此在传感器尺寸相同的前提下,CCD的像素 规模总是高于同时期的CMOS传感器。

  但随着科技的日渐进步,CMOS的制作工艺有了大幅度的提高,已经取代了CCD成为了现今数码相机的主流感光元件。一个生动的画面通过上述复杂的机内处理,变成了一系列二进制的数字信号,感光元件的任务就此结束。下面要开始忙活的,就是相机的大脑——处理器了。


 

  Colorful Days——处理器篇

  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。

知其然知其所以然数码相机工作原理解读(4)

  另外的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。

  在感光元件将实际景物转换为一系列二进制的数字信号后,ADC就会将数字信息流传递给数字信号处理器DSP。在DSP中,大量的数字信息经一系列预设的程序 指令后整合成完整的图像。这些指令包括绘制图像传感器数据、分配每个像素的颜色和灰度。在单一传感器数字相机中,如果只有一个彩色滤镜阵 列,算法程序将主要进行每个像素的颜色数据处理。算法程序通过分解临近的像素颜色来决定某一特定像素的具体色值。如果使用RGB颜色的话,那么组成最终图 像的每个像素的颜色都可以看成是三原色的合成。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。通过如上步骤,最终的图像才能够显示出自然的颜色。

知其然知其所以然数码相机工作原理解读(4)

  每个厂商设计的处理程序各不相同,他们通过各不相同的色彩平衡与色饱和度设置来生成彩色图像。数码相机还运用一个或者多个DSP以及其他设备来共同处理所得 数据,以期达到完美画质,并且充分考虑消费者对画质偏好的选择权利。如果想要拍下本不需要的噪点,或者通过电子快门来实现雾化效果,这些需求制造商都是通 过对算法处理程序进行相应的修正来满足的。类似的程序修正还有很多,例如图像锐化的应用,白平衡的预设等等。所以我们可以得出如下的结论,各个制造商所产 数码相机的最大不同就在于图像处理过程的种种差异,而这也是导致各厂家影像风格不同的最主要原因。

知其然知其所以然数码相机工作原理解读(4)

  看到这里,大家应该知道所谓的“尼康锐、佳能魅”的原因了吧,摄影师在得到艳丽的照片后就就该琢磨怎么把它保存下来了,而这也就是照片生产过程中的最后一步——存储工作了。


 

  存在的力量——存储器篇

  存储器一般是数码相机的外设部分,因为数码相机的内部一 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。一般的外设存储器有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。

知其然知其所以然数码相机工作原理解读(5)

  FLASH中绝缘栅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,可以就控制某个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。

  编者结语:

  通过本文,相信很多朋友已经大致了解了数码相机各部分的基本工作原理,达到了知其然也知其所以然的新境界。数码相机的平民化也让更多的人享受到了摄影的乐 趣,科技的不断创新也在不停地改变着人们的生活。由此可见,科技并不只是高高在上的空中楼阁,也能成为帮助我们留下永恒瞬间的随身伙伴。


 

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