數碼相機成像技術

吳騰奇

數碼相機作為一種時尚數碼產品，以其強大的功能、操作便捷性和出色的拍攝效果，受到廣大消費者的喜愛。數碼相機和傳統相機在光學原理上相類似，都是將被攝物體發射或反射的光線通過鏡頭在焦平面上形成物像。但在具體成像中則因光敏介質的不同而有所區別。

數碼相機成像原理

數碼相機使用CCD電荷藕合器件記錄影像，然后把CCD器件的電子信號轉換成數字信號。由于CCD器件本身并不分辨色、光，為了獲得彩色的濾色片配合使用，具體結構有采用紅綠藍濾色片三次分別掃描的，也有采用三組器件配合濾色片，一次同時對紅綠藍三色曝光。而視采用CCD陳列的結構不同，又可以分為線性陳列CCD和平面陳列CC口。顯然平面陳列的捕捉影像的速度要快于采用線性陳列的方式。

1.三片CCD數碼相機

利用透鏡和分光鏡將光圖像信息分成R、G、B(紅、綠、藍)三束單色光，并將它們分別作用在三片CCD影像傳感器上，三種顏色信息經CCD轉換為模擬電信號，然后經過A／O轉換為數字信號，再經過DSY數字信號處理后存到存儲器中。最后，經數字接口或視頻接口輸出給計算機、打印機或電視機等。目前大多數普通數碼相機都是單片CCD，采用3CCD結構的都是高檔專業數碼相機。

2．單片COD數碼相機

CCD影像傳感器每個像素點的位置上分別加上RGB三種顏色濾色片，通過透鏡后的光圖像信息，被分別作用在傳感器不同的像素點上，并將它們轉換為模擬電信號，然后經過A／O轉換為數字信號，再經過DSP數字信號處理后存到存儲器中。

信號捕捉方式

1．與傳統相機的區別

數碼相機與傳統膠片相機在捕捉信號的前端設備上是相同的。數碼相機也是使用鏡頭光圈和快門來聚焦圖像，這與傳統膠片相機并無區別。但是，傳統相機將通過鏡頭透鏡的成像聚焦到感光銀鹽膠片上，膠片感光將影像以光學模擬信號的方式記錄下來。而數碼相機則聚焦到CCD或CMOS圖像傳感器半導體芯片上，通過掃描產生電子模擬信號，然后經過A／O模數轉換形成電子數字信號，再經過壓縮，最后以數字文件形成保存在內置的存儲器芯片、可拔插的PC卡或軟磁盤上。此外，數碼相機與掃描儀、數碼攝像機雖然同為數碼影像輸入設備，但在信號捕捉方面也有不相同。

2．與掃描儀的區別

在數碼相機普及以前，掃描儀是數字圖像處理的必備工具，但是，隨著數字圖像技術的發展和數碼相機分辨率的提高，數碼相機應用越來越廣，成為獲取數字圖像最主要的工具之一。掃描儀只是一種把照片轉換為計算機能夠處理的圖像的工具。掃描儀獲取圖像的方式是先將光線照射到待掃描的材料上，光線反射回來后再在CCD電荷藕合器件的光敏元件上實現光電轉換，由于紙張上黑的區域反射較少的光，亮的區域反射較多的光，而CCD器件可以檢測圖像上不同區域反射回來的不同強度的光，于是CCD器件將反射光波轉換成為電波電流，即把光信號轉換為模擬電信號，然后經過A／O數模轉換器再把模擬電信號轉換為數字信息，用L和O的組合來表示，最后，控制掃描儀操作的掃描軟件讀入這些數據，并重組為計算機圖像文件。

以上描述的是用掃描儀掃描照片及打印文本或紙張等不透明材料的過程。當掃描透明材料時，原理相同，所不同的是此時并非利用光線的反射，而是透射過材料，再由CCD器件來接收。掃描透明膠片需要特別的光源補償，借助透射片配器TMA裝置完成這一功能，除了表面極為平滑的物體外，其他東西都不能直接放到掃描儀上進行掃描。而數碼相機能夠拍攝任何景物，它對物體的表面沒有任何要求。掃描儀只能處理靜止的照片，處理速度也比較慢，而數碼相機可以捕捉運動物體。

3．與數碼攝像機的區別

在數碼影像系統中，數碼相機和數碼攝像機同為數碼影像的輸入設備，其作用都是生成數碼影像，不同的是數碼相機主要用于捕捉景物的瞬間活動，生成的主要是數碼圖片影像，而數碼攝像機主要用于捕捉景物的連續活動，生成的主要是數碼視頻影像。數碼相機技術借鑒數碼攝像機的CCD固體攝像機器件技術是關鍵的一步。CCD攝像器件和攝像管的工作原理一樣是利用某種光電效應，首先將入射光轉變成對應的光電荷，并把光電荷暫時存儲在像素的微小靜電容上，然后通過固體掃描方式將信號讀出。CCD攝像器件具備光電轉換、光電存儲和固體掃描三個不同方式，是利用電子的轉換、移位來完成掃描過程的。在CCD攝像器件的硅基片上鑲嵌排列著許多各自獨立的像素，通過在電路上的施加掃描脈沖將存儲在像素上的光電荷按順序讀出。隨著數碼影像技術的快速發展，數碼攝影與數碼攝像技術相互交叉融合的趨勢更加明顯，近年來更有攝像、照相兩用機問世，不但能夠攝像，而且還能夠當作拍攝靜止圖像的數碼攝像機，同時也有兼其攝像功能的數碼相機上市，不僅能夠拍攝靜止圖像，而且還能夠記錄短時間活動的圖像與聲音。

信號存儲載體

傳統光學相機信號存儲媒體以膠卷為主，立拍立現相機或一次咸像相機，采用的是一種特殊的相紙代替化學膠片和印相紙，這種相紙能直接感受光線并立即生成實物照片。APS相機采用的是帶有磁性及光學記錄帶的專用APS膠卷。數碼相機中所存儲的照片不再是實際影像，而是一個個數字文件，其信號存儲體也不是底片而是數字化存儲器件。數碼相機所用的存儲媒體有內置式存儲器和可移動式存儲卡或軟磁盤之分。內置式存儲器是與數碼相機固化在一起，而不需要另配存儲媒體。存儲卡或軟磁盤可隨時裝入數碼相機或從相機中取出，存滿后可隨時更換，就像使用計算機軟盤一樣方便，只要備足需用的存儲卡或磁盤，就可以連續進行大量的拍攝。

圖像處理

在數碼相機問世這前，傳統攝影技術的數字化進程比較緩慢，對大多數人來說，數碼圖片處理曾經是一件令人頭痛的工作，首先要拍攝、沖洗，檢查洗出來的照片的效果，而且常常需要多次處理才能得到令人滿意的照片；然后掃描照片生成計算機能夠使用的數字圖像；最后對圖像進行編輯處理，直至得到滿意的圖片為止。有了數碼相機，一切都變得簡單多了。你可以根據自己的要求。隨意拍攝，然后直接把圖像下載到計算機中進行編輯處理，數碼暗房技術利用豐富強大的數碼圖像處理工具，不但可以輕松地對數碼照片進行常規的編輯，而且還可以進行特殊效果處理，對數碼照片進行再創作。

信號輸出形式

傳統相機記錄的信號是固定在膠片上的光學信號，其信號輸出方式非常簡單：通過彩擴機將底片圖像負像轉換為相紙圖像照片，傳統攝影的數字化拓寬了膠片圖像的輸出路徑，但是必須經過掃描儀將膠片圖像或照片轉換成數字圖像文件，然后才能夠輸入到計算機或打印機。而數碼相機記錄的是數字信號，能夠通過數字接口或視頻接口直接連接到計算機、

電視、攝錄機或打印機上，在一定條件下，數碼相機還可以直接接到筆記本電腦上，使用者可以立即檢查圖像是否正確，而且還可以立刻打印出來或是通過電子郵件傳送出去。數碼相機生成的數字圖像能夠存入計算機中，并且利用圖像處理軟件進行后期編輯處理、重現再創作。數碼相機的輸出方式可分為接口傳送方式、存儲器傳遞方式以及視頻傳送方式。在接口傳送方面，現在數碼相機與計算機的主要連接途徑以RS-232和IrDAl．0接口為主，這些接口的傳輸速度較快，而USB高速接口方便快捷，將成為普及型數碼相機的標準接口。IEEEt394接口可以達到400Mbps的傳輸速率，可能代替SCSI成為專業數字圖像設備的標準接口。

數碼相機電路

目前數碼相機的電路結構分為多芯片電路與單芯片電路兩種。

1．多芯片數碼相機電路

數碼相機除了光學透鏡系統外其余幾乎全由電子電路控制，基本的信號處理過程非常簡單，由CCD送來的電信號通過A／O轉換器轉換為數字信號，然后送入具有信號處理能力的DSP，即數字信號處理器，然后進行JPGE壓縮，接著通過接口電路記錄到位于最后一級的存儲器。除了這些處理電路外，硬件控制還使用CPU，如富士公司Fine Pix2700型數碼相機就使用了兩個CPU對硬件進行控制。

2．單芯片數碼相機電路

200萬像素級以上的數碼相機幾乎都采用了某種ASIC芯片。盡管ASIC部分因公司而異，但基本上都把處理電荷的部分做成一塊芯片以實現高速化。同時，需要驅動電壓部分集成化，減少耗電。耗電量與芯片數的平方成正比，因而降低單片耗電量，是目前解決數碼相機耗電過大的一個有效手段。單芯片數碼相機電路結構的特點是將數碼相機的整個電路板集成在一塊硅片上，這塊高度集成化的芯片包含了數碼相機所需的主要功能，如取景、攝錄、壓縮、過濾存儲、傳送以及顯示數碼影像，可實現每秒攝錄、壓縮，支持高達2048 x2048像素的圖像分辨率。這一水平相當于每秒以VGA形式攝錄11幅圖像，經JPEG方式壓縮、存儲，并以30幅／秒的速度傳送，顯示于數碼相機的LCD顯示屏上。由于單芯片采用獨特的設計方案，所以其性能高但價格較低，如美國LSLlogic公司推出的數碼相機芯片DCAM—101，將使數碼相機的成本降低25％左右。